CC BY
22
УДК 628.316.12
Применение СВЧ-излучений для обеззараживания птичьего помёта
Г.В. Петрова, д-р с.-х. наук, профессор; А.Д. Буракаева, канд. биол. наук;
С.В. Сорокун, ст. науч. сотрудник
ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Анализы химического состава жидкой фракции помёта и дренажных вод птицеводческого предприятия показали в стоках высокое содержание трудноразлагаемых органических и минеральных веществ. Проведённые микробиологические исследования показали наличие большого количества бактерий группы кишечных палочек, стафилококков, сальмонелл, микрококков, яиц глистов. Среди бактерий преобладали мелкие грамположительные, не образующие спор и капсул бактерии, наиболее устойчивые к нагреванию и средствам дезинфекции, которые с использованием полимеразной цепной реакции по видоспецифическому гену были идентифицированы как Enterococcus casseliflavus. Изучение влияния дозы и времени СВЧ-излучений бытовой печи на выживаемость чистых музейных бактериальных культур условно-патогенных микроорганизмов и сапрофитных культур показало зависимость эффекта воздействия от их таксономического положения, биохимической активности, а также от способности синтезировать пигменты. СВЧ-облучение оказывает губительное воздействие на большинство выделенных из жидкой фракции помёта и дренажных вод бактерий и яиц глистов при номинальной мощности 400 Вт в течение 30 минут, при номинальной мощности 800 Вт - через 5 - 10 минут. Для уничтожения яиц глистов оказалась достаточной 5-минутная экспозиция.
Ключевые слова: сверхчастотные волновые частицы (СВЧ), доза облучения, птичий помёт, птицефабрика, условно-патогенные микроорганизмы,, enterococcus casseliflavus.
Жидкие фракции помёта и дренажные воды птицеводческих предприятий имеют высокую обсеменённость условно-патогенными и патогенными микроорганизмами и, прежде чем использовать их для орошения сельскохозяйственных полей, необходимо принять меры по обеззараживанию от патогенных и условно-патогенных микроорганизмов [1]. На большинстве птицеводческих предприятий предусмотрены меры естественного обеззараживания путём выдерживания в лагунах. В зависимости от степени обсеменён-ности теми или иными возбудителями инфекций такой период карантина может занимать от 15 дней до одного года.
В последние годы предлагается альтернативный способ обезвреживания с использованием ультрафиолетовых лучей и ионизирующих излучений. Эффективным и перспективным методом обеззараживания отходов предприятий птицеводства может стать применение энергии сверхчастотного излучения [2]. В то же время действие СВЧ-энергии для подавления микроорганизмов и стерилизации жидкостей требует тщательного исследования, так как научные публикации по влиянию на различные группы микроорганизмов весьма противоречивы, и однозначный ответ на вопрос, каков механизм действия электромагнитных полей, найти в настоящий момент затруднительно [3, 4]. Ряд исследователей считают, что воздействие СВЧ-обработки приводит к гибели микроорганизмов даже при малых мощностях [5]. Однако некоторые микроорганизмы имеют дополнительные защитные оболочки, обладающие высоким тепловым сопротивлением, для уничтожения таких микроорганизмов требуется использование более мощных генераторов диа-
пазона СВЧ-излучения или совокупность как минимум пяти факторов: СВЧ-энергия, электролиз, синхронизация питания, рекуперация и серебро [6]. В литературе имеются сведения, что отклик микроорганизмов на влияние магнитного поля видоспецифичен и включает как ингибирование, так и стимуляцию их роста [7].
Целью наших исследований являлось изучение влияния дозы и времени СВЧ-излучения на выживаемость условной микрофлоры жидкой фракции помёта и дренажных вод птицефабрики ОАО «Спутник» Оренбургской области.
Материал и методы исследования. Объектами исследования служили: жидкие фракции помёта и дренажные воды в зимний и летний периоды; чистые музейные культуры условно-патогенных бактерий: Escherichia coli К12 (АТСС 25922), Escherichia coli 354, Pseudomonas fluore-scens ВКПМ № В-350, Pseudomonas putida КМ МГУ № 95, Mycobacterium mucosum КМ МГУ № 116, Mycobacterium cefnium КМ МГУ № 98. Культуры микроорганизмов получены на кафедре микробиологии и заразных болезней ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» и из коллекции микроорганизмов кафедры микробиологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Микробиологические и гельминтологические исследования проводились известными способами [8 - 10]. Выделение ДНК и ПЦР-анализ проводили согласно M. Irmis et al., A. Pavlicek et al. [11, 12]. Условия электрофореза ПЦР исследуемых образцов: 1,0 % - агарозный гель, электрофорез при напряжённости электрического поля 5 В/см. Секвенирование генов, кодирующих 16S рРНК, проводили на автоматическом секве-наторе АЕЗООО. Для построения древа родства
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
использовали Ribosomal Database Project II [13]. Для обработки СВЧ-излучением суспензий чистых культур, сточной воды и илового осадка использовали микроволновую печь «Электроника 3С» при частоте 2450 МГц, длине волны 12.5 см, при номинальных мощностях 400 и 800 Вт и экспозициях облучения от 1 до 10 мин.
Результаты исследования. Жидкие фракции помёта и дренажные воды птицефабрик являются серьёзными источниками загрязнения окружающей среды. Проведённые анализы химического состава и санитарного состояния жидких фракций помёта и дренажных вод в зимний и летний периоды показали в стоках высокое содержание трудноразлагаемых органических и минеральных веществ (табл. 1). Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ выявил значительную обсеменённость условно-патогенными микроорганизмами и яйцами гельминтов.
1. Химический состав жидких фракций помёта и дренажных вод
Показатель Сточные воды
зима лето
ХПК, мл О2 /л 4035 11200
БПК, мл О2 /л 2153 4153
Взвешенные вещества, мг/л 1550 5450
Общий азот мг/л 1258 1167
Общий фосфор, мг/л 430 450
Жиры, мг/л 547 00
Хлориды, мг/л 500 540
Бактерии группы кишечных палочек 1010 1012
Энтерококки 109 1010
Стафилококки 106 107
Клостридии 103 104
Сальмонеллы 103 106
Яйца гельминтов (в 1 л) 320 420
Проведённые микробиологические исследования показали наличие большого количества бактерий родов: Staphylococcus, Micrococcus, Escherichia, Salmonella и яйца глистов. Среди бактерий подавляющее большинство приходилось на мелкие грамположительные, не образующие спор и капсул овальные клетки, находящиеся в парах, реже - в коротких цепочках; на МПА формировали мелкие округлые выпуклые колонии с ровным краем жёлтого цвета; каталазу не продуцировали, желатину не разжижали; сбраживали лактозу; восстанавливали нитраты, устойчивые к нагреванию и средствам дезинфекции. Первоначально по совокупности морфологических, культуральных и биохимических признаков бактерии были отнесены к представителям рода Enterococcus.
Методом полимеразной цепной реакции с помощью анализа генов, кодирующих 16S РНК,
по 8f - aga gtt tga tec tgg etc ag; 926r - ccg tea att cct ttr agt tt; 1492r - ggt tac cct tgt tac gac tt и секвенировании вариабельных участков генов, кодирующих 16S рРНК, получена следующая собранная нуклеотидная последовательность: CGCTTCGGTTTACGCCCAAWACWTTASGAC TACGCTCGCCACCTACRTATTACCGCGGCTG MTGGCACGTASYTMGCCSTGGCTTTCTGGT TAGATACCGTCAAGGGATGAACATTTTACTCT CATCCTTGTTCTTCTCTAACAACAGAGTTT TACGATCCGAAAACCTTCTTCACTCACGC GGCGTTGCTCGGTCAGACTTTCGTCCATT GCCGAAGATTCCCTACTGCTGCCTCCCGTAG GAGTCTGGGCCGTGTCTCAGTCCCAGTGTG GCCGATCACCCTCTCAGGTCGGCTATGCATC GTTGCCTTGGTGAGCCGTTACCTCACCAAC TAGCTATGCACCGCGGGTCCATCCTCAGT GACGCAAAAGCGCCTTTCAAYTTTCTTC CATGCGGAAAATAGTGTTATACGGTATTAG CACCTGTTTCCAAGTGTTATCCCCTTCTGA TGGGCAGGTTACCCACGTGTTACTCACCC GTTCGCCACTCTTTTTCTTTCGRTGGAG CAAGCTCCGGTRAAAGAAAAAGCGTTC GACTTGCATGTATTAGGCACGCCGCCAGC GTTCGTCCTGAGCCAGGATCAAAC.
Анализ филогенетического родства, построенный с использованием типовых штаммов близкородственных бактерий, показал, что наиболее близким к исследуемому штамму является вид Enterococcus casseliflavus (98 %).
Реакция на облучение СВЧ-излучением номинальной мощностью 800 Вт у изученных штаммов чистых музейных культур различалась (рис. 1). Как показали результаты, наиболее устойчивы к облучению оказались микобакте-рии - Mycobacterium cyaneum КМ МГУ № 98 и Mycobacterium mucosum КМ МГУ № 116, оставаясь жизнеспособными даже при экспозиции 10 мин., т.е. реагировали на облучение после достаточно длительной обработки (5 - 10 мин.). Только через 15 мин. воздействия эти бактерии оказались наиболее чувствительны. Такую устойчивость микобактерий к воздействию СВЧ-излучений можно объяснить наличием в их клеточной стенке миколовых кислот.
Наиболее чувствительными к облучению номинальной мощностью 800 Вт оказались Escherichiae coli К12 (АТСС 25922), Escherichiae coli 354 и Pseudomonas putida КМ МГУ № 95, эффект подавления роста наблюдался уже при 5-минутной экспозиции. У бактерий Bacillus subtilis 534 и Pseudomonas fluorescens ВКПМ № В-350 при 5-минутной экспозиции наблюдалось снижение индекса выживаемости до 10 - 20 %. Относительно бактерии Rhodococcus erythropo-lis КМ МГУ № 119 можно отметить, что она оказалась более устойчивой к облучению, чем отмеченные выше бактерии Escherichiae coli К12 (АТСС 25922), Escherichiae coli 354, Pseudomonas
% 120
100
putida fluorescens erythropolis cyaneum mucosum
ЕЗ Время экспозиции 2 минуты И Время экспозиции 5 минут Ш Время экспозиции 10 минут
Рис. 1 - Влияние СВЧ-излучения (800 Вт) на сохранение жизнеспособности чистых музейных бактериальных культур
putida КМ МГУ № 95, Bacillus subtilis 534 и Pseudomonas fluorescens ВКПМ № В-350. Как мы видим на рисунке 1, эффект снижения жизнеспособности у бактерии Rhodococcus erythropolis КМ МГУ № 119 на 50 % наблюдался при 5-минутной экспозиции, а подавление роста - только при воздействии СВЧ-излучений в течение 10 мин.
В результате наших экспериментов были получены несколько неожиданные результаты: вегетативные клетки Rhodococcus erythropolis КМ МГУ № 119 оказались более устойчивыми к воздействию СВЧ-лучей, чем споровые бактерии. Исходя из литературных данных этот факт можно объяснить тем, что некоторые микроорганизмы, синтезирующие природные пигменты, более устойчивы к микроволновому облучению [8].
СВЧ-облучение губительно воздействует на большинство выделенных из сточных вод бактерий и яйца глист при номинальной мощности 400 Вт в течение 25 - 30 мин. Эксперименты по изучению влияния СВЧ-облучения при номинальной мощности 800 Вт на бактерии родов Staphylococcus, Micrococcus и Escherichia установили утрату жизнеспособности при 5-минутной экспозиции, а бактерий родов Salmonella и Enterococ-cus, а также споровых бактерий - при не менее чем 10-минутной экспозиции. Для уничтожения яиц глистов оказалась достаточной 5-минутная экспозиция облучения при номинальной мощности 800 Вт.
В результате проделанной работы установлено следующее:
- сохранение жизнеспособности у чистых музейных бактериальных культур зависит от таксономического положения, биохимической активности и образования пигментов;
- для получения стабильного бактерицидного эффекта важно учитывать дозу и время экспозиции;
- СВЧ-энергия номинальной мощностью 800 Вт оказывает губительное воздействие на бактерии и яйца глистов при облучении 5 - 10
мин. Для достижения эффекта подавления роста микроорганизмов путём воздействия СВЧ-излучения номинальной мощностью 400 Вт необходима более длительная экспозиция.
Литература
1. Смирнова И.Р. Теоретическое обоснование, усовершенствование и разработка мероприятий, направленных на оптимизацию технологий естественной биологической очистки сточных вод с возможностью использования их на орошение и рыборазведение: дис. ... д-ра вет. наук по спец. М., 1997. 341 с.
2. Гапоненков И.А., Федорова О.А. СВЧ-обработка осадков сточных вод пищевых производств //Вестник МГГУ. 2011. Т. 16. №4. С. 681- 686.
3. Комарова А.С. Влияние микроволнового излучения на почвенные бактерии: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2008. 25 с.
4. Взаимодействие живой системы с электромагнитным полем / Р.Р. Асланян, С.В. Тульская, А.В. Григорян [и др.] // Вестник Московского университета. Сер. 16 «Биология». 2009. № 4. С. 20 - 23.
5. Эффекты облучения культуры Daqfnia magna на разных стадиях развития электромагнитным полем миллиметрового диапазона низкой интенсивности / Л.Д. Гапочка, М.Г. Гапочка, Т.С. Дрохакина [и др.] // Вестник Московского университета. Сер. 16 «Биология». 2012. № 2. С. 43 - 47.
6. Пат. РФ № 2519841 Способ непрерывной стерилизации жидкости и устройство для его осуществления / Климарев С.И., Королева В.И., Королев И.А., Сухоруков А.П., Сысоев Н.Н.; опубл. 10.07.2013; Бюл. № 19.
7. Егоров Н.С., Голант М.Б., Ландау Н.С. Влияние электромагнитных волн на образование протеаз с фибринолитическим действием у Aspergillus oryze (АНК) Cohn (штамм МГУ) // Микология и фитопатология. 1977. Т. 11. № 4. С. 125 - 131.
8. Рогов И.А., Адаменко А.Я., Малютин А.Ф. Использование СВЧ-энергии в мясной промышленности // Серия «Мясная промышленность». Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИ-молпром, 1983. 45 с.
9. Инструкция по лабораторному контролю очистных сооружений на животноводческих комплексах. Ч. 1. Утв. Министерством сельского хозяйства СССР 17 сентября 1980 г.
10. МУК 4.21884 - 04 Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов: утв. и введены в дейст. 03.03.2004 г.
11. Irmis M, Gelfand D., Sninsky J. A Guide to methods and applications // PCR Protocols. 1998. P. 14 - 15.
12. Pavlicek A., et al. Fre-Tree-freeware program for construction of phylogenetic trees on the basis of distance data and bootstrap jackknife analysis of tree robustness. // Application in the RAPD analysis of genus Frenkelia Folia Biol (Praha). 1999. V. 45 (3). C. 97 - 99.
13. Michigan State.Center for Microbial Ecology. URL:http://www. cme.msu.edu.
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
Петрова Галина Васильевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Буракаева Айгуль Дикатовна, кандидат биологических наук, доцент Сорокун Сергей Васильевич, старший научный сотрудник ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18 E-mail: petrova_ogau@mail.ru; aigulburakaeva@mail.ru
Application of microwave radiation for poultry dung disinfection
Petrova Galina Vasilyevna, Doctor of Agriculturt, Professor
Burakaeva Aigul Dikatovna, Candidate of Biologe, Associate Professor
Sorokun Sergey Vasilievich, Senior Researcher
Orenburg State Agrarian University
18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia
E-mail: petrova_ogau@mail.ru; aigulburakaeva@mail.ru
The analyzes of the chemical composition of the liquid fraction of the manure and drainage waters of the poultry enterprise showed the presence in the effluents of a high content of hardly decomposable organic and mineral substances. Microbiological studies have shown the presence of a large number of bacteria of the group of Escherichia coli, Staphylococusi, Salmonella, Micrococcus, worm eggs. The bacteria were dominated by small gram-positive bacteria that do not form spores and capsules, which are the most resistant to heat and disinfectants, which was identified as Enterococcus casseliflavus using the polymerase chain reaction for a species-specific gene. Study of the effect of the dose and time of microwave radiation from a household oven on the survival of pure museum bacterial cultures of opportunistic microorganisms and saprophytic cultures showed the dependence of the effect of exposure on their taxonomic position, biochemical activity, as well as on the ability to synthesize pigments. Microwave irradiation had a detrimental effect on most bacteria and worm eggs isolated from the liquid fraction of dung and drainage water at a rated power of 400 W for 30 minutes, at a rated power of 800 W - after 5 - 10 minutes. A 5-minute exposure was sufficient to destroy the worm egg.
Key words: ultra-frequency wave particles (shf), irradiation dose, bird litter, poultry farm, conditionally
pathogenic microorganisms, enterococcus casseliflavus.
-♦-
