Технологии биологической переработки торфа в удобрения и биопрепараты Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

32

Труды Инсторфа 11 (64)

УДК 631.878/9

Ковалев Н.Г.

Ковалев Николай Георгиевич, академик РАН, директор Всероссийского научно-исследовательского института мелиорированных земель (ВНИИМЗ). Тверская обл., Калининский район, п. Эммаус

Рабинович Г.Ю.

Рабинович Галина Юрьевна, д. б. н., профессор, зав. отделом биотехнологий ВНИИМЗ. vniimz@list.ru

Васильева Е.А.

Васильева Елена Александровна., к. б. н., старший научный сотрудник отдела биотехнологий ВНИИМЗ

ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В УДОБРЕНИЯ И БИОПРЕПАРАТЫ

Аннотация. Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель (ВНИИМЗ), используя в качестве компонента исходного сырья торф, разработал технологии получения твердофазных и жидкофазных продуктов, среди которых наиболее известна технология аэробной ферментации, продукция которой - КМН (компост многоцелевого назначения) - получила широкую известность. Данная разработка в настоящее время реализуется методом пассивной аэрации на открытых площадках для компостирования или активной аэрацией в специальных камерах-биоферментаторах. Среди новых разработок биоконверсии - ферментационноэкстракционная технология, по которой производятся: жидкофазные биопрепараты (ЖФБ) для растениеводства и земледелия; жидкофазное гуминовое удобрение (БоГум); биоконсервант (ЖиБиСил).

Ключевые слова: торф, удобрения, биопрепараты, биоконверсия, микроорганизмы, компост многоцелевого назначения, аэробная ферментация, ферментационно-экстракционная технология.

Kovalev N.G.

Kovalev Nikolai G., Academician, Director of the All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands. Tver region, Emmaus

Rabinovich G.Y.

Rabinovich Galina Y., Dr. Sci. Biol., Professor, Head of the Department of Biotechnology of the All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands

Vasilyeva E.A.

Vasilyeva Elena A., PhD, senior researcher of the Department of Biotechnology of the All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands

TECHNOLOGIES OF BIOLOGICAL PROCESSING OF PEAT INTO FERTILIZERS AND BIOLOGICAL PRODUCTS

Abstract. All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands (VNIIMZ), using peat as raw material, has developed technology of manufacturing of solid and liquid products. The most well known product is multipurpose compost. This product is made by method of passive aeration on the open areas for a composting or active aeration in chambers biofermenters. The fermentative and extraction technology allows making liquid-phase biological products for plant growing and agriculture; liquid-phase humic fertilizer (Bogum); biopreservative (Zhibisil).

Key words: peat, fertilizer, biological products, biofermentation, microorganisms, multi-purpose compost, aerobic fermentation, enzymatically-extraction technology.

Труды Инсторфа 11 (64)

33

Одним из приоритетных направлений использования торфяных ресурсов является их применение в сельскохозяйственном производстве в качестве компонента органических удобрений. Приготовление удобрений с использованием торфа прошло длительный путь эволюции от классического компостирования до современных регулируемых технологий различного уровня. Разработка новых высокоэффективных технологических процессов, основывающихся на биологической конверсии органического вещества с вторичными ресурсами, является приоритетным направлением глубокой переработки биогенных ресурсов. Целесообразность использования торфа в процессах переработки определяется его большим удельным весом в структуре существующих биоресурсов и связана также с хорошей обеспеченностью торфа питательными веществами и микроорганизмами, способными к активной трансформации [1-4].

Специалистами Всероссийского научноисследовательского института мелиорированных земель (ВНИИМЗ) разработан и запатентован ряд экспрессных регулируемых технологий переработки торфа с использованием микроорганизмов для процесса активации. Такой подход позволяет получать широкий спектр продукции, а также решать ряд задач по повышению эффективности сельскохозяйственного производства [3, 5] (рис. 1).

При использовании в качестве компонентов исходного сырья различных типов и видов торфа разработаны технологии получения

твердофазных и жидкофазных продуктов. В настоящее время особое внимание заслуживает технология аэробной твердофазной ферментации, которая удостоена Государственной премии РФ [6]. Эта технология позволяет получать компост многоцелевого назначения (КМН). Процесс аэробной твердофазной ферментации реализуется методом пассивной аэрации на открытых площадках для компостирования, а также при помощи активной аэрации в специальных камерах - биоферментаторах (рис. 2). Причем использование биоферментатора позволяет значительно сокращать время процесса компостирования.

Биоферментатор изготавливается из кирпича, железобетона и других подобных материалов. Наиболее подходящей формой его устройства является двухкамерное исполнение. Причем в зависимости от объемов производства удобрений на практике могут использоваться каскады (батареи) из любого числа биоферментаторов.

Аэробная твердофазная ферментация обеспечивается присутствием в ферментируемой смеси компонентов, относящихся к отходам животноводства и птицеводства (навоз, помет), которые изначально обладают биологической активностью [7, 8].

Вторым ключевым компонентом исходных смесей являются углеродсодержащие материалы, но по своим физико-химическим характеристикам в качестве основного сырьевого ресурса используется торф. Кроме торфа в ферментируемые смеси в расчетных количес-

Рис. 1. Основные разработки ВНИИМЗ по биопереработке торфа и вторичных ресурсов

Fig. 1. The main development of VNIIMZ on peat and secondary resources bioprocessing

34

Труды Инсторфа 11 (64)

Вентилятор вытяжной

гт [1

V *

Ж

/ / у Ворота

'-у/

Отверстия для замера

U- температуры

,х-т vr^у

Воздуховод Рабочая смесь

Рис. 2. Устройство, принцип работы и приборное оснащение биоферментатора Fig. 2. Device, principle of work and instrument equipment of a biofermenter

твах могут быть введены отходы полеводства (солома зерновых и бобовых культур, стержни початков кукурузы, костра льна и др.), отходы деревопереработки, пивная дробина и другие отходы пищевой индустрии, которые обладают питательными и энергетическими свойствами. Наилучшая эффективность процесса аэробной твердофазной ферментации обеспечивается путем активной аэрации, благодаря которой происходит сокращение срока приготовления продукта ферментации со 120-180 суток, необходимых для проведения классического процесса компостирования органического сырья, до 7 суток.

Продолжением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ВНИИМЗ являются новые технологии биологической конверсии. К ним относится ферментационноэкстракционная технология, которая может реализовываться в базовом и модернизированном виде. Данный процесс состоит из трех основных блоков и позволяет получать следующие продукты (рис. 1):

• жидкофазные биопрепараты (ЖФБ) для

растениеводства и земледелия;

• жидкофазные гуминовые удобрения (БоГум);

• биоконсерванты (ЖиБиСил).

Разработанная технология позволяет получать жидкофазные биопрепараты с высо-

кой численностью агрономически полезной микрофлоры (109...1012 КОЕ/мл); высокой питательной ценностью (Р2О5 до 15 г/л; К2О до 12,5 г/л); наличием микроэлементов и физиологически активных веществ (сахара, аминокислоты); благоприятным уровнем кислотности (рН = 7,0-8,0); санитарно-гигиенической чистотой (отсутствие тяжелых металлов, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, цист кишечных патогенных простейших). В технологии предусмотрена корректировка и нормализация состава ЖФБ для адресного использования [9].

Жидкофазное гуминовое удобрение представляет собою темно-бурую жидкость с нейтральным запахом и щелочной реакцией среды (рН = 11-13). Содержание гумата калия в нем не менее 17 г/л. Наличие биогенных элементов питания (N, Р2О5, К2О) и микроэлементов (Mn, Mo, Fe, Cu и др.) предопределяет широкий диапазон его использования. Необходимо подчеркнуть, что в технологии производства удобрения предусмотрена корректировка и нормализация состава для его адресного использования под конкретные сельскохозяйственные культуры.

Биоконсервант (ЖиБиСил) характеризуется наличием в своем составе молочнокислых микроорганизмов, ферментов и саха-

Труды Инсторфа 11 (64)

35

ров. Здесь также присутствуют биогенные элементы и микроэлементы, являющиеся катализаторами обменных процессов, в частности Zn, Cu и Fe, физиологически активные вещества (аминокислоты, легкорастворимые сахара) и ферменты, позволяющие переводить сложные полисахариды кормов в водорастворимые сахара. Кроме того, разработанный биологический препарат содержит специфическое сообщество микроорганизмов: амилолитические, которые обеспечивают обогащение силосной массы моносахарами (109_1011 КОЕ/мл); микроорганизмы, продуцирующие аминокислоты (108...109 КОЕ/мл); молочнокислые микроорганизмы, обеспечивающие полноценный процесс ферментации корма (108 КОЕ/мл). Санитарно-гигиенические исследования показали, что разработанный биоконсервант не содержит ядовитых и токсичных веществ, гельминтов и патогенной микрофлоры.

Продолжение научно-исследовательской работы в этом направлении позволило разработать более эффективный биопрепарат для консервирования - ЖиБиММ, в составе которого консорциум микроорганизмов, в том числе молочнокислых, превышает предыдущий продукт - ЖиБиСил на два порядка. В его состав входят также гидролитические ферменты (амилазы, гемицеллюлозы и др.), легкогидролизуемые углеводы и подвижные формы фосфора и калия.

С применением принципа ощелачивания и использованием оригинальных биостимуляторов в разных дозах и концентрациях авторами был разработан еще один вид биологического удобрения (БиГуЭм), характеризуемый высокой численностью агрономически полезной микрофлоры. В нем также присутствуют эле-

менты питания в форме, доступной для растений и микрофлоры, а также имеются вещества с фитогормональным действием (в том числе гуминовых кислот) [10].

В настоящее время удалось достигнуть большого практического применения разработанных биоудобрений и биопрепаратов в растениеводстве и земледелии. Например, компост многоцелевого назначения, обладая сообществом агрономически полезных микроорганизмов и полным набором элементов питания для растений, способен существенно снижать потребности почв в минеральном питании. В связи с этим его рекомендуется вносить под все культуры. При этом продуктивность культур на обработанных почвах в среднем повышается на 15.20% [11]. Кроме того, подтверждена эффективность использования этого компоста не только в овощеводстве, но и в цветоводстве, садоводстве, а также тепличном хозяйстве.

Нормы внесения КМН варьируются от 3-5 т/га до 15-20 т/га. Они обеспечивают, в среднем в 2-3 раза, активизацию почвенной микрофлоры и создают условия для мобилизации биогенных элементов, формирующих урожай, в среднем до 25%.

Экспериментально установлено, что внесение компоста многоцелевого назначения в качестве основного удобрения под разные культуры севооборота способствует увеличению их продуктивности (табл. 1). Локальное внесение КМН применяется выборочно, так как длительное применение такого приема не способствует стабильности почвенного покрова по уровню плодородия [12]. Кроме этого, высокую эффективность проявляет КМН и при использовании его в качестве

Табл. 1. Сравнительная эффективность основного внесения видов КМН (в ц/га кормовых единиц)

в севообороте

Table 1. Comparative efficiency of the main introduction of types of compost of a universal purpose (in centners

per hectare of fodder units) in a crop rotation

Севооборот Ячмень 1 Карто- фель Ячмень 2 Вико-овсяная смесь Озимая рожь Многолетние травы 1 Многолетние травы 2 Сумма Среднее

Контроль 45,9 46,2 34,8 28,4 27,7 9,9 15,6 208,5 29,8

Навоз, 28 т/га 58,6 52,5 45,4 36,0 30,9 11,0 22,6 257,0 36,7

Торфонавозный компост, 33 т/га 59,7 54,0 46,1 39,6 30,7 12,7 23,2 266,0 38,0

КМН на основе навоза, 14 т/га 66,3 68,7 55,2 44,1 36,6 18,5 27,5 316,9 45,3

КМН на основе помета, 13 т/га 63,6 67,5 46,1 42,3 34,2 17,9 29,3 300,9 43,0

36

Труды Инсторфа 11 (64)

подкормки (табл. 2). Коэффициент энергетической эффективности (Кээ) в зависимости от доз КМН колеблется в пределах 27,9-34,4 (супесчаная почва) и 31,1-37,1 (легкосуглинистая почва).

ЖФБ рекомендуется использовать в качестве землеудобрительного препарата или биостимулятора роста и развития сельскохозяйственных культур, как в полевых, так и в тепличных условиях. Эффект от применения заключается в увеличении (в среднем до 25%) содержания в почве подвижных элементов питания, в росте численности агрономически полезной микрофлоры (в среднем на 25%) и снижении содержания конкурентной (амилолитической) и потенциально опасной (фузари-озного увядания) (табл. 3). Рост урожайности сопровождается увеличением массы товарной продукции, улучшением ее качественных характеристик, снижением нитратов.

Влияние жидкофазных биопрепаратов на растения заключается в улучшении биометрии их роста и развития. В частности, вес клубней картофеля увеличивался в среднем на 25...40%, в зависимости от года, а вес свеклы возрастал в среднем на 50 г. Рост урожайности составил от 10 до 40% по разным культурам. Кроме того, отмечается стойкая тенденция к улучшению структуры урожая, выражающаяся в повышении в общей массе плодов, обладающих товарными свойствами.

Совместное воздействие компоста многоцелевого назначения и жидкофазных биопрепаратов обеспечивает высокую продуктивность и качество продукции растениеводства, а именно под воздействием ЖФБ существенно улучшается качество овощной продукции, которое выражается в снижении количества нитратов (от 20 до 70% в среднем по разным культурам до 2,3 раза в корнеплодах дайкона). Кроме того, в них оптимизируется содержание биогенных элементов (К2О - от 15% в плодах огурца до 35% в корнеплодах сельдерея; Р2О5 - от 30% в плодах огурца до 40% в корнеплодах сельдерея) и физиологически полезных веществ (клетчатки - от 7 до 15% в плодах разных овощей, протеина -на 25.30% в клубнях картофеля, жира - на 6.8% в корнеплодах дайкона, витамина С и моносахаров в плодах огурца - на 10% и 9.10% соответственно).

Оценка эффективности применения универсального биопрепарата для консервирования кормов проводилась при силосовании

Табл. 2. Урожайность зерновых культур при внесении КМН (поверхностная подкормка)

Table 2. Productivity of grain crops at introduction of compost of a universal purpose (superficial fertilizing)

Варианты Средняя урожайность, ц/га Прибавка к контролю

ц/га %

Яровая пшеница (сорт Иргина)

Контроль 19,7 - -

N90 Р60 К60 24,1 3,7 19,0

КМН-10 т/га 25,1 5,9 30,0

Овес (сорт Оргамаг)

Контроль 17,9 - -

N90 Р60 К60 19,2 1,3 7,3

КМН-6,7 т/га 22,7 4,8 26,8

Ячмень (сорт Гонар)

Контроль 15,1 - -

N90 Р60 К60 16,3 1,2 7,4

КМН-10 т/га 17,8 2,7 17,8

Табл. 3. Реакция почвенного раствора и азоттрансформирующей микрофлоры на применение ЖФБ на картофеле при периодичности обработки три раза за сезон

Table 3. Reaction of soil solution and nitrogen transforming microflora on application of a liquid-phase biological product on potatoes at frequency of processing three times during a season

Показатель Объекты- индикаторы Изменение показателя по отношению к контрольному, %

Агрохимия почвы n-nh4 Повышение на 30-33

Р2О5 Повышение на 15-18

Микробиология почвы аммонификаторы Повышение на 28-30

амилолитическая микрофлора Снижение на 5-7

провяленного козлятника восточного. Экспериментально установлено, что использование данного биопрепарата как консерванта приводит к значительному повышению качества корма по сравнению с обычным силосованием. Экспериментальный образец силоса не уступал по качеству контрольному образцу, в котором в качестве консерванта использовалась муравьиная кислота. Оценка экономической эффективности показала, что затраты на производство силоса с универсальным биопрепаратом в два раза ниже по сравнению с химически консервированным силосом, благодаря чему себестоимость животноводческой продукции снижается в целом на 10-15%. Обобщенная схема использования разработанных биопрепаратов представлена на рис. 3.

Труды Инсторфа 11 (64)

37

Прибавка урожая в среднем на 25-50%

Подкормка

Премикс

Подкормка

Прибавка урожая в среднем до 40%

Удобрение

7

Удобрение

Биостимулятор

\ /

кмн ЖФБ N.

V БоГул, Биоконсер- у

БиГуЭм ванты

V

Силосование

Улучшение качества с/х продукции (ФАВ, N03)

Землеудобрительный

препарат

Улучшение качества силоса

Рис. 3. Спектр использования и эффективность некоторых видов продукции, получаемых при биопереработке торфа с вторичными ресурсами

Fig. 3. Range of use and efficiency of some types of production received when bioprocessing peat with secondary resources

Таким образом, все рассмотренные выше технологии отмечаются высоким ресурсосберегающим эффектом, так как в них используются возобновляемые сырьевые (торф, биомасса) и вторичные (навоз, помет) ресурсы. Отсутствие отходов при их реализации, простота технических решений, возможность масштабирования, многофункциональность, короткие сроки реализации и экологичность получаемой продукции значительно повышают их конкурентоспособность по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами. Отсутствие дополнительных химических компонентов в продуктах биопереработки предопределяет возможность их применения в различных областях хозяйственной деятельности: растениеводстве, ландшафтном дизайне, интенсификации компостирования, решении вопросов рекультивации нарушенных земель и т. п. Большим инновационным потенциалом обладает также направление использования биоконсервантов в качестве компонентов силосования для формирования премиксов, применяемых в животноводстве.

Библиографический список

1. Лиштван, И.И. Основные свойства торфа и методы их определения / И.И. Лиштван, Н.Т. Король. - Минск: Наука и техника, 1975. - 320 с.

2. Электронный ресурс http://fitoapteka.ru/ goods/bioudobrenie.php] (дата обращения 29.06.2015).

3. Электронный ресурс http://www. agroserver.ru (дата обращения 29.06.2015).

4. Основы сельскохозяйственной биотехнологии / Г.С. Муромцев, Р.Г. Бутенко, Т.И. Тихо-ненко, М.И. Прокофьев. - М.: Агропромиз-дат, 1990. - 384 с.

5. Электронный ресурс http://nagroinvest.ru (дата обращения 29.06.2015).

6. Патент на изобретение № 2141464. Способ приготовления компоста / Туманов И.П., Малинин Б.М., Ковалев Н.Г., 1997.

7. Патент 2141464. Российская Федерация, МПК7 C05F3. Способ приготовления компоста / Туманов И.П., Малинин Б.М., Ковалев Н.Г.; заявитель и патентообладатель -Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель. -№ 97120053/13; заявл. 03.12.1997; опубл. 20.11.1999.

8. Емцев, ВТ. Микробиология: учебник для вузов / В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин. - М.: Дрофа, 2006. - 444 с.

9. Методы почвенной микробиологии и биохимии: учебное пособие / под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: МГУ 1991. - 304 с.

10. Патент на полезную модель 71654. Российская Федерация, МПК7 C05F3, C05F11. Поточная линия для получения жидкофазного биологически активного средства / Рабинович Г.Ю., Фомичева Н.В.,

38

Труды Инсторфа 11 (64)

Смирнова Ю.Д., заявитель и патентообладатель - Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель. - № 2007130976/224 заявл. 30.08.07; опубл. 20.03.08, Бюл. № 8.

11. Патент 2539781. Российская Федерация, МПК7 C05F3, C05F11. Способ получения биоудобрения / Рабинович Г.Ю., Тихомирова Д.В.; заявитель и патентообладатель -Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель. -№ 2013135780/10; заявл. 30.07.13; опубл. 27.01.15, Бюл. № 3

12. Ковалев Н.Г. Экономическая оценка производства и использования КМН на осушае-

мых почвах. Технология производства биопрепаратов на основе навоза / Н.Г. Ковалев, В.Н. Зинковский, Т.С. Зинковская // Научнотехнический прогресс в животноводстве -стратегия машинно-технологического обеспечения производства продукции на период до 2020 г.: докл. 12-й Междун. науч.-практ. конф., Москва, 22-23 апреля 2009 г. - М.: ГНУ ВНИИМЖ, 2009. - Т. 20, -Ч. 3. - С. 136-145.

13. Сазыкин Ю.О. Биотехнология: учебное пособие для вузов / Ю.О. Сазыкин, С.Н. Орехов, И.И. Чакалева; под ред. А.В. Катлинского. -М.: Академия, 2007. - 256 с.