CC BY
73
УДК / UDC 631.95:631.468.514.329:631.879:669.018.674
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЕРМИКУЛЬТУРЫ НА СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ ПОДВИЖНОСТЬ В ВЕРМИКОМПОСТАХ НА ОСНОВЕ ЛУЗГИ ГРЕЧИХИ, ДЕФЕКАТА, ШЛАКА И ЦЕОЛИТОВ
ECOLOGICAL EVALUATION OF INFLUENCE OF A VERMICULTURE ON THE CONTENT OF HEAVY METALS AND THEIR MOBILITY IN THE VERMICOMPOSTING ON THE BASE OF BUCKWHEAT POD, A DEFEKAT, SLAG AND ZEOLITES
Таракин A.B.*, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Tarakin A.V., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor Степанова Л.П., доктор сельскохозяйственных наук, профессор Stepanova L.P., Doctor of Agricultural Sciences, Professor ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia
*E-mail: [email protected]
Вся производственная деятельность человека связана с неизбежностью образования различного рода отходов, которые поступают в окружающую среду. Во избежание ненужного, а порой и непоправимого ущерба, наносимого природной среде, такое воздействие на среду должно тщательно планироваться. При этом следует сочетать удовлетворение потребностей человека за счет природы с активной защитой природной среды от последствий человеческой деятельности. Как правило, эти цели не исключают друг друга, хотя в некоторых случаях приходится принимать компромиссные решения. Поиск глобальных путей уменьшения негативного влияния токсических веществ на агроэкосистемы требует все большего внимания к решению проблем утилизации, переработки органических отходов. При этом все более широкое применение получает метод вермикомпостирования - процесс переработки органических отходов с использованием дождевых червей, развитие промышленной технологии выращивания дождевых червей и производство биогумуса. Многочисленные исследования, показывают, что применение данной технологии позволяет улучшить физико-химические свойства исходного сырья, делает возможным применение в агроэкосистемах органосодержащих отходов, а именно: гранулированные гумусные удобрения как продукт жизнедеятельности вермикультуры, облегчает транспортировку и хранение. Питательным субстратом для червей может быть навоз различных животных, торф, опилки, солома, картон, бумага, листья деревьев, ботва, отходы переработки продуктов питания, отходы, рыбной и мясной промышленности, органические городские отходы и др. В лабораторных опытах изучалась возможность использования вермикультуры для компостирования твердых отходов крупяной промышленности (лузга гречихи и лузга гороха), навоза КРС и свиного навоза, осадка сточных вод г. Орла, отсевы солевого алюминиевого шлака, отходы сахарного завода (жом, дефекат), природные цеолиты в различных соотношениях. Ключевые слова: вермикультура, вермикомпостирование, утилизация отходов, биотехнология, органо-минеральные отходы, природные цеолиты, тяжелые металлы.
All production activity of the person is connected with inevitability of different formation of waste which comes to the environment. In order to avoid the unnecessary, and at times and irreparable injury caused to the environment, such influence has to be planned carefully. At the same time it is necessary to combine satisfaction of persons needs at the expense of the nature with active protection of the environment against consequences of human activity. As a rule, these purposes don't exclude each other though in certain cases it is necessary to accept the compromise verdict. Search of global ways of reduction of negative impact of toxic substances on agroecosystems requires the increasing attention to the solution of problems of utilization, processing of organic waste. At the same time the vermicomposting method - process of processing of organic waste with use of earthworms, development of industrial technology of cultivation of earthworms and
production of a bio humus more and more is widely used. Numerous researches show that application of this technology allows to improve physical and chemical characteristics of initial raw materials, does possible application in agricultural ecosystems containing the organic waste, in other words: the granulated humus fertilizers as vermiculture waste product, facilitates transportation and storage. Manure of various animals, peat, sawdust, straw, cardboard, paper, leaves of trees, tops of vegetable, waste of processing of food, waste of the fishing and meat industry, organic city waste, etc. can be a nutritious substratum for worms. The possibility of a vermiculture use for a composting of solid waste of the cereals industry (pod of a buckwheat and pod of peas), cattle and pork manure, a deposit of Oryol sewage, eliminations of salt aluminum slag, waste of the sugar plant (a press, excrement), natural zeolites in various ratios were studied in laboratory experiments.
Key words: vermiculture, vermicomposting, utilization of waste, biotechnology, organic-mineral waste, natural zeolites, heavy metals.
Введение. Наука и практика наряду с поиском глобальных путей уменьшения негативного влияния токсичных веществ на агроэкосистемы все большее внимание сосредотачивают на проблемах утилизации, переработки органо-минеральных отходов и использования питательных макро- и микроэлементов и энергии, заложенных в них. Использование вермикультуры для решения этой проблемы является перспективным, так как в результате биотехнологической переработки отходов производится не только ценное органо-минеральное удобрение - биогумус, но и изменяется уровень содержания и степень подвижности металлов в вермикомпостах [1].
Одним из экологических факторов, лимитирующих применение удобрительных свойств отходов производства в растениеводстве, и особенно в овощеводстве, является содержание в них тяжелых металлов. Анализ вермикомпостов на основе органических и минеральных отходов и природных цеолитов показал пригодность исследуемых отходов для биотехнологической переработки и получения органо-минерального удобрения с высокими агрохимическими свойствами [2]. Доказано влияние вермикомпостирования и исходного сырья на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов, при этом аккумуляция тяжелых металлов зависит от микроэлементного состава исходного субстрата и действия червя [3].
Цель исследований состояла в том, чтобы установить агроэкологическую эффективность переработки органических и минеральных отходов производства свеклосахарной, металлургической и пищевой промышленности, коммунального хозяйства методом вермикомпостирования, определить уровни содержания валовых и подвижных форм тяжелых металлов в составе вермикомпостов, оценить удобрительные свойства полученных вермикомпостов.
Условия, материалы и методы. Опыт и лабораторные исследования эффективности метода вермикомпостирования в переработке отходов производства (лузга гречихи, дефекат, шлак, цеолит) проводили на кафедре земледелия, агрохимии и агропочвоведения ФГБОУ ВО Орловский ГАУ.
Состав отходов производства: лузга гречихи - отход при шелушении гречихи: Химический состав (%): сухое вещество - 89,8; белок - 2,1-3,1; крахмал - 1,0-1,3; жир - 0,4-0,7; сырой протеин - 10,3; сырая клетчатка - 15,1; зола - 1,5-2,5; клетчатка - 40-70; кальций - 0,2; калий - 0,44; фосфор - 0,31; магний - 0,13 г; железо - 0,89 г; цинк - 0,086; плотность - 130-145 кг/м3; дефекат, дефекационная грязь, отход свеклосахарного производства, содержащий известь. Выход дефекационной грязи 8-12% от массы перерабатываемой свеклы. В свежей дефекационной грязи около 40% воды. Подсушенный до сыпучего состояния (влажность 25-30%) дефекат содержит (%): извести углекислой (с примесью едкой) - 60-75; органических веществ - 10-15; азота - 0,2-0,7; фосфора (Р2О5) - 0,2-0,9; калия (К2О) - 0,5-1; некоторое количество магния, серы и микроэлементов. Шлак -
солевые отсевы алюминиевого шлака (ОАО «Мценский завод алюминиевого литья», г. Мценск), выпускаемых по ГОСТу 1639-79. Химический состав (%): А1 -2,82; А12О3 - 16,26; Si - 4,90; Mg - 1,74; Fe - 1,70; Mn - 0,15; Zn - 0,64; SO4 - 0,28; Cu - 0,66; Ca - 0,2; Na - 2,42; К - 3,74; Cl - 2,00; Cd - 0,004; Ti - 0,085; Sn - 0,018; рНвод. - 8; цеолит - Хотынецкого месторождения (химический состав (%): SiO2 -72,85; ТЮ2 - 0,57; А12О3 - 10,41; Fe2O3 - 3,64; CaO - 1,52; К2О - 1,70). Емкость катионного обмена достигает 600 мэк/100 г, рНвод. - 8,3.
Варианты опыта:
1. Лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20).
2. Лузга гречихи + дефекат + шлак + цеолит (40:35:10:15).
Опыт заложен в деревянных ящиках размером 50x50x25 см. Для вермикомпостирования использовали гибрид красного Калифорнийского червя (Eisenia Andrei), который обычно живет в умеренном климате. Взрослая особь достигает 8-9 см в длину, 3-5 мм в диаметре и 0,5-1 г массы. Продолжительность жизни 16 лет. За год одна пара червей может дать 3000 особей. Он гермафродит, плодовит, оплодотворение в оптимальных условиях происходит каждые семь суток, начиная с 90-го дня жизни.
В переработанной червями, смешанной с кишечной слизью, земле повышается содержание кальция, магния, аммиака. Многие соединения переводятся в более доступную форму для растений.
Отобранные образцы вермикомпостов анализировали по общепринятым методикам: микробиологический анализ (Звягинцев Д.Г., 1991) [4], содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов - атомно-абсорбционным методом (ИСО 8288), (ГОСТ 30178).
Результаты и обсуждение. Исследованиями установлено значительное влияние вермикультуры на валовое содержание тяжелых металлов и образование их подвижных форм. Так, в вермикомпосте на основе лузги гречихи, дефеката и шлака (60:20:20) содержание валового свинца колеблется от 26,23 до 52,88 мг/кг, кадмия -от 2,38 до 5,17. Валовое содержание в вермикомпосте тяжелых металлов, таких как медь, изменяется в пределах 101-134 мг/кг, количество цинка составляет 166-423 мг/кг, никеля - 31-70,5 мг/кг, хрома - 18-42,8 мг/кг, марганца - 66-89 мг/кг и содержание кобальта изменяется в пределах 1,73-6,58 мг/кг (табл. 1). При этом в валовом содержании свинца, кадмия, меди и цинка не установлено превышения ПДК по этим металлам для этого вида органических удобрений [5].
Таблица 1 - Валовое содержание тяжелых металлов в вермикомпостах (мг/кг) (среднее 2015-2016 гг.) _____
Вермиком-пост РЬ Cd Cu Zn Ni Cr Co Mn Hg As
лузга гречихи + дефекат + цеолит + шлак (40:35:10:15) 70,81 80,47* 2,78 5,25 76,50 82 335,65 577 57,22 71,70 79,63 28,6 1,68 6,48 105,1 186 0,029 1,82 3
лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20) 52,88 26,23 2,38 5,17 101,31 134 166,35 423 31,37 70,48 42,80 18,8 1,73 6,58 66,12 89 0,034 0,51 2
ТУ** 750 20 1000 2500
пдк 250 10 750 750 200 250 24 550 2,1 5,0
Примечание: * - в знаменателе данные 2015 г.; ** - Орлов и др., 1995; Орлов, Садовникова, 1995 [6].
Уменьшение массовой доли лузги гречихи в составе субстрата и введения в него природного цеолита и увеличение доли минеральной компоненты в исходном субстрате приводит к изменению валового содержания тяжелых металлов. В составе этого типа вермикомпоста валовое количество свинца увеличивается до 70-80,5 мг/кг и в 1,9 раза превышает валовое количество свинца в вермикомпосте из лузги гречихи с дефекатом. Валовое количество кадмия изменяется в пределах 2,78-5,25 мг/кг, что в среднем за два года исследований составляет 4,02 мг/кг и в 1,2 раза превышает количество кадмия в вермикомпосте, где отсутствует цеолит. Валовое содержание цинка остается высоким и колеблется в пределах 335,7-577 мг/кг и превышает в 1,55 раза количество цинка в вермикомпосте с большей в 1,5 раза массовой долей лузги гречихи и в 1,75 раза меньшей массовой долей дефеката в составе субстрата. Содержание валовой меди несколько снижается и составляет 76,5-82 мг/кг. В содержании валовых форм никеля, хрома и марганца наблюдается некоторое увеличение в сравнении с валовым количеством этих металлов в компосте из лузги гречихи, дефеката и шлака примерно в 1,3; 1,7 и 1,87 раза соответственно. Следует отметить, что и в этом виде вермикомпоста не установлено превышения валовых количеств тяжелых металлов относительно предельно допустимых концентраций для этого вида удобрения. По валовому содержанию исследуемые тяжелые металлы образуют ряд в порядке уменьшения концентрации: Гп>Мп>Си>РЬ>№>Сг>Со> Cd>As>Hg для вермикомпоста на основе субстрата из лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10). Для вермикомпоста из лузги гречихи, дефеката и шлака (60:20:20) тяжелые металлы по их валовому количеству образуют следующий ряд: Гп>Си>Мп>№>РЬ>Сг>Со>СН^>Нд.
Количество подвижных форм исследуемых тяжелых металлов в вермикомпостах резко снижается в сравнении с их валовым содержанием (табл. 2).
Таблица 2 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в вермикомпостах (мг/кг) (среднее 2015-2016 гг.) ........
Вермикомпост РЬ Cd Zn № Mn Hg As
лузга гречихи + дефекат + цеолит + шлак (40:35:10:15) 4,16 8,64* 0,53 0,64 2,44 12,0 28,37 18,3 2,75 2,03 3,83 0,28 0,08 62,0 43 не обн. не обн.
лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20) 3,57 5,34 0,48 0,42 4,51 7,8 17,20 15,7 1,12 2,41 1,51 0,33 0,09 8,19 44 не обн. не обн.
Примечание: * - в знаменателе данные 2015 г.
В вермикомпосте из субстрата на основе лузги гречихи в сочетании с дефекатом и шлаком (60:20:20) количество подвижных форм свинца составило 11,27% от его валового содержания в среднем за годы исследований или 4,46 мг/100 г, подвижность кадмия достигала 13,51% от его валового содержания (0,45 мг/100 г), степень подвижности цинка и меди была примерно одинакова и составила 5,23% по меди и 5,58% по цинку от их валовых количеств (табл. 3).
Таблица 3 - Степень подвижности форм тяжелых металлов в вермикомпостах (% от валового содержания)________
Вермикомпост РЬ Cd Zn № Mn
лузга гречихи + дефекат + цеолит + шлак(40:35:10:15) 6,40* 8,46** 0,59 14,68 7,22 9,11 23,33 5,11 2,39 3,71 2,06 3,81 0,08 1,96 52,5 36,08
лузга гречихи + дефекат + шлак (60:20:20) 4,46 11,27 0,45 13,51 6,16 5,23 16,45 5,58 1,77 3,48 0,92 2,99 0,09 2,16 26,09 33,64
Примечание: * - мг/100 г в среднем за 2015-2016 гг.; ** - % от валового содержания.
Степень подвижности марганца была наибольшей, она достигала 33,64% от валового его количества. Содержание подвижных форм никеля, хрома и кобальта составило 3,48-2,16% от валового содержания этих металлов. Такая закономерность в изменении степени подвижности тяжелых металлов характерна и для вермикомпоста, полученного из субстрата на основе лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10). Следует отметить, что наличие цеолита обуславливает снижение степени подвижности свинца на 2,81%, но несколько повышает подвижность кадмия, меди, марганца и хрома.
По валовому содержанию в составе вермикомпостов тяжелых металлов выявлен логический ряд в порядке уменьшения их концентрации -Zn>Mn>Cu>Pb>N¡>Cr>Co>Cd>As>Hg. По количеству подвижных форм тяжелых металлов можно составить следующий ряд в порядке убывания их концентрации: Мп>Гп>Си>РЬ>№>Сг>СН>Со для обоих типов исследуемых вермикомпостов [7].
Сочетание в субстрате лузги гречихи с дефекатом, шлаком и цеолитом в значительной степени обусловило изменение микробиологических свойств вермикомпостов. Так, наибольшая численность физиологических групп микроорганизмов установлена в вермикомпосте на основе лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита - 599141,7х103 КОЕ/г. При этом численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота была практически одинаковой с численностью микроорганизмов, использующих доступное органическое вещество (КОЕ на МПА). Данное соотношение обусловило значение коэффициента минерализации близкое к единице - 1,08. В вермикомпосте на основе лузги гречихи, дефеката и шлака общая численность микроорганизмов незначительно снижается, но соотношение групп микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, и микроорганизмов, использующих органические формы азота, увеличивается, что подтверждается увеличением коэффициента минерализации до 1,23 (табл. 4). В вермикомпостах на основе лузги гречихи, дефеката, шлака (60:20:20), и особенно в вермикомпосте из лузги гречихи, дефеката, шлака и цеолита (40:35:15:10) установлена уравновешенность процессов минерализации синтеза органических веществ.
Таблица 4 - Численность микроорганизмов в вермикомпостах на основе отходов производства__
Численность микроорганизмов в вермикомпостах (103 КОЕ/г абсолютно сухого вещества) о _
1-X го о» 5 (В I ?! 2 Использующие минеральные формы азота на КАА Целлюлозоразрушающие на среде Гетчисона си ч си Р § си СО т ^ ^ X ц го е ь X
2 ° о в том числе в том числе & д
го ш со 5 го С Ц X _0 2 О ГО ^ Общее Бактерии Актино-мицеты Общее Бактерии Грибы Актино-мицеты го си X с _ го -0 т ю си § % о. ^ 1 ю ^ о 2
1 226872 44,44 278384 54,53 19563 6 82748 5055,3 0,99 643,9 - 4411,4 210,1 0,04 510521,4 1,23
2 283880 47,38 307839 51,38 22529 2 82547 7164,0 1,19 694,6 11,6 6457,8 258,7 0,04 599141,7 1,08
Примечание: 1 - Лузга гречихи +дефекат+шлак (60:20:20); 2 - Лузга гречихи +дефекат+шлак
+цеолит (40:35:15:10).
Выводы. Внедрение биотехнологического метода переработки отходов производства обеспечивает значительное снижение подвижных форм тяжелых металлов в компостах, повышая тем самым их удобрительные свойства и пригодность их внесения для санации загрязненных тяжелыми металлами почв.
Экологические свойства вермикомпостов определяются составом исходных компонентов, в первую очередь использованием шлака и в меньшей степени использованием цеолита и дефеката.
Доказана возможность использования шлаковых отходов металлургического производства в количестве не более 15-25% от общей массы субстрата для вермикомпостирования.
Микробоценозы вермикомпостов на основе отходов производства и природных цеолитов отличаются между собой по общей численности микроорганизмов (510,5-599,1 х 106 кл/г) и сбалансированности микробного сообщества по численности аммонификаторов (КОЕМПА) и автохтонных микроорганизмов (КОЕКАА).
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Степанова Л.П., Цыганок E.H., Тихойкина И.М. Экологические проблемы земледелия // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2012. Т. 34. № 1. С. 11-17.
2. Степанова Л.П., Таракин A.B., Половитсков В.А. Экологическая оценка влияния вермикультуры на свойства вермикомпостов // Земледелие. 2008. № 4. С. 24-25.
3. Гармаш С.Н. Вермикомпостирование органических отходов: в кн. Биоконверсия отходов агропромышленного комплекса / Под редакцией В.Ю. Барштейна. Новосибирск, 2016. С. 51-67.
4. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Издательство: МГУ, 1991. 304 с.
5. Олива Т.В., Трубаева Л.В., Еременко Н.В. Сравнительный анализ органического вещества почвы, субстрата для вермикомпостирования и вермикомпоста: в кн. Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения. 2011. С. 46.
6. Орлов Д.С., Садовникова Л.К., Ладонин Д.В. Экологические нормативы на нетрадиционные органические удобрения // Химия в сельском хозяйстве. 1995. № 5. С. 35-38.
7. Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Писарева A.B. Экологическая характеристика антропогенно-трансформированных почв, загрязненных тяжелыми металлами // Агрохимия. 2016. № 12. С. 60-67.
