CC BY
3Н.М. Хаптанова, лаборант-исследователь
З.Ф. Дугаржапова, канд. мед. наук
Н.Г. Гефан, канд. мед. наук ФКУЗ Иркутский научно-исследовательский противочумный институт
Роспотребнадзора
В.Ж. Цыренов, д-р биол. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 573.6:579.6
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЭТАПНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ
Проведены микробиологические и физико-химические исследования куриного помета, компоста куриного помета и вермикомпоста на разных сроках созревания процесса вермикомпостирова-ния.
Ключевые слова: биогумус, вермикомпостирование, почвенные ферменты.
N.M. Khaptanova Z.F. Dugarzhapova, Cand. Sc. Medicine N.G. Gefan, Cand. Sc. Medicine V.Zh. Tsyrenov, D. Sc. Biology, Prof.
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE RESULTS OF STAGE-BY-STAGE VERMICOMPOSTING PROCESS
Microbiological and physicochemical study of chicken manure, compost of chicken manure, and vermicompost in different stages of vermicomposting maturation process were performed.
Key words: biohumus, vermicomposting, ferments of soil.
В последнее время во многих странах мира получило распространение одно из направлений биотехнологии - вермикомпостирование, в основу которого положено использование некоторых видов дождевых червей. Формирование и развитие данного направления обусловлено возможностью решения на биологической основе ряда актуальных экологических задач: утилизация органических отходов; получение высококачественного органического удобрения; повышение плодородия почвы.
В вермикомпостировании применяются красные калифорнийские черви вида Eisenia foetida andrei семейства Lumbricidae [9], использование которых начато в 1939 г. американским фермером Барретом. Он создал специальную плантацию по их культивированию и в 1959 г. получил патент на вермипроизводство. Технология вермикомпостирования основана на переработке почвы и органических отходов калифорнийскими червями. В результате их пищеварительной деятельности субстрат обогащается биологически активными веществами, уменьшается токсичность находящихся в нем тяжелых металлов за счет перехода в комплексные труднорастворимые, не доступные для растений формы. В процессе вермикомпо-стирования семена сорняков, проходя через желудочно-кишечный тракт червей, теряют свою всхожесть [7].
Одним из субстратов для вермикомпостирования является куриный помет. На птицефабрике средней мощности (400 тыс. кур-несушек или 10 млн. цыплят-бройлеров) ежегодно выделяется до 35 - 83 тыс. т пометной массы и более 400 тыс. м3 сточных вод с повышенной концентрацией органических компонентов. В 1 г пометной массы насчитываются миллиарды клеток микроорганизмов, которые представлены грибами, актиномицетами, бактериями, присутствуют условно-патогенные (протей, бактерии группы кишечной палочки) и патоген-
ные бактерии (сальмонеллы). В курином помете содержится меди - 100 мг/кг, свинца - 100, цинка - 300, кобальта - 50, молибдена - 5 и кадмия - 5 мг/кг [10, 11].
Из вышесказанного следует, что куриный помет является потенциально опасным источником загрязнения окружающей среды, в то же время он служит весьма богатым источником питательных элементов для калифорнийских червей, поэтому его рационально утилизировать методом вермикомпостирования.
Калифорнийские черви чувствительны к высокой температуре, рН среды и на них оказывает губительное влияние выделения аммиака, сероводорода, углекислого газа. Для их нормальной жизнедеятельности необходимо использование куриного помета, прошедшего стадию компостирования - саморазогревание субстрата в буртах в течение 10-12 мес. [5]
Исследование микробиологических и физико-химических характеристик куриного помета, компоста куриного помета, вермикомпоста разных сроков созревания и биогумуса, в настоящее время является актуальной задачей.
Цель работы - микробиологическое и физико-химическое исследования процесса вер-микомпостирования.
Материалы и методы. Материалом для исследования послужили пробы куриного помета, компост куриного помета, вермикомпост разных сроков созревания (верхний слой -0-2 мес, средний слой - 2-4 мес, нижний слой - 4-6 мес) и биогумус. Пробы были отобраны в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-84 [1] в научно-производственном цехе птицефабрики СХАО «Белореченское» Усольского района Иркутской области.
Микробиологические показатели проб исследуемого материала, такие как общее микробное число (ОМЧ) и наличие патогенных энтеробактерий, определяли общепринятыми бактериологическими методами [12].
ОМЧ определяли мерным высевом материала на агар Хоттингера, с последующим подсчетом количества выросших колоний микроорганизмов и пересчетом на содержание микробных клеток в 1 г абсолютно сухого образца (м. кл/г). Для обнаружения патогенных энтеробактерий пробы высевали на селективные среды Эндо, Плоскирева и висмут-сульфит агар (ВСА). Посевы инкубировали при 37 °С в течение 18-24 ч (до 48 ч на ВСА), далее оценивали рост микроорганизмов в колониеобразующих единицах в 1 г исследуемого материала (КОЕ/г) [8].
Изучение физико-химических показателей исследуемых проб, таких как температура, гигроскопическая влажность и кислотность, осуществлялось приборными методами. Температуру измеряли во время отбора проб контактным цифровым термометром ТК-5.01 (Техно-ас, Россия) на глубине 5-7 см. Влажность определяли термогравиметрическим методом на влагомере МА150 (Sartorius, Германия). Показатели кислотности были установлены в естественных условиях с помощью переносного рН-метра РТ-10 (Sartorius, Германия) и в лаборатории в соответствии с ГОСТ 26.483.85-85 [2].
Для определения содержания подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) были отобраны куриный помет, калифорнийские черви Eisenia foetida andrei, после вермикомпостирования и биогумус; их пробоподготовку проводили согласно ГОСТ 51301-99 [3]. Содержание подвижных форм кадмия, кобальта, свинца и цинка определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «ААС Квант - 2А» (Кортек, Россия).
Изучение ферментативной активности в пробах куриного помета, компоста куриного помета, вермикомпостов различных сроков созревания и биогумуса проводили с помощью методов почвенной энзимологии: нуклеазу выявляли по И.В. Асеевой и Н.С. Паникову; фосфатазу - Штефанику, Ярни, Томеску; каталазу - Р.С. Канцельсону и В.В. Ершову; протеазу -Гоффманну и Тейхеру и уреазу [13].
Полученные данные обрабатывали статистическими стандартными методами с применением программы «MS Excel 2007» и выражали в виде среднего (М) и стандартного отклонения (S).
Результаты исследований. В отобранных образцах наблюдалось количественное изменение содержания микроорганизмов. В курином помете ОМЧ составляло 69,6*108 м. кл/г, после стадии компостирования при разогреве компоста значение снизилось в 26,8 раза (2,6* 108 м. кл/г). На стадии вермикомпостирования насчитывалось от 4,8*108 до 6,7*108 м. кл/г при температуре 18 °С. В процессе ферментации компоста куриного помета в биогумус количество микроорганизмов увеличилось в 1,8 раза, благодаря деятельности калифорнийских червей, которые стимулируют процессы аммонификации, денитрификации и нитрификации (рис. 1).
80
куриный компост верхний средний нижний биогумус
помет куриного слой 0-2 слой 2-Л слой 4-6
помета мес мес мес
Рис. 1. Динамика общего микробного числа в процессе компостирования и вермикомпостирования
В пробе куриного помета при высеве на среду Эндо выделена Escherichia coli - 500 КОЕ/г, Salmonella отсутствовала. В компосте куриного помета, вермикомпосте различных сроков созревания и биогумусе бактерии группы кишечной палочки и сальмонеллы не обнаружены.
Для создания оптимальных условий размножения и роста калифорнийских червей технологией вермикомпостирования предусмотрены регулярное орошение водой вермибурта и поддержание в нем определенной температуры в зависимости от времени года. Температурные параметры куриного помета, вермикомпоста различных сроков созревания и биогумуса соответствовали температуре производственного помещения (17,5-19,5 °С). В бурте компостируемого куриного помета температура достигала 60 °С. Гигроскопическая влажность куриного помета, его компоста и вермикомпостов составила от 52,5 до 59,2 % и биогумуса - 26,5 %.
Исследуемые пробы обладали слабощелочной и слабокислой реакцией. Кислотность куриного помета составила 8,3, компоста куриного помета 6,9. Значения рН вермикомпоста различных сроков созревания были от 7,7 до 8,3 и в биогумусе - 6,8 (рис. 2).
При сравнении содержания подвижных форм ТМ в биогумусе и курином помете установлено снижение кобальта на 33,3 %, свинца на 23,9 %, цинка на 38,3 %, кадмий не обнаружен (табл. 1). В курином помете по кобальту превышение в 2 раза. Содержание свинца (104 мг/кг) и цинка (172 мг/кг) в пробе калифорнийских червей оказалось ниже в 1,1 раза, чем в курином помете. В биогумусе содержание цинка уменьшилось в 2,6 раза.
Нашими исследованиями подтверждена способность калифорнийских червей накапливать ТМ. Пробы калифорнийских червей после переработки куриного помета содержали в 5,3 раза больше кобальта по сравнению с биогумусом. Содержание свинца в пробе калифорнийских червей (104 мг/кг) оказалось выше в 3,7 раза, чем в биогумусе. Также содержание цинка в пробах калифорнийских червей (172 мг/кг) было выше, чем в биогумусе, в 2,5 раза.
80
70
60
50
40
30
20
10
О
і
-Л
т т
»Чі
І
10 1 » 1
Ш
■згвлажяость, %
■•іПі ~1
куриньїіковилеїт куриншкрхемйтопоЛрёймий слойч2»4ншвсслой 4-6 мбсіогумус
Рис. 2. Изменение физико-химических параметров процесса вермикомпостирования в научно-производственном цехе по производству биогумуса птицефабрики СХАО «Белореченское»
Для сравнения полученных данных по ТМ использовали кларки элементов - числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др. по отношению к общей массе этой системы. Они позволяют судить о нарушении обычных отношений между сходными элементами (хлор - бром, ниобий - тантал) и тем самым указывают на различные физико-химические факторы, нарушившие эти равновесные отношения [14].
Кларки концентрации элементов (Кк) - отношение содержания ТМ в биогумусе к среднему его количеству в земной коре - составляют: кобальт - 0,75; свинец - 5,8; цинк -
0,3. Сравнение полученных данных с кларковыми значениями почв мира показало, что содержание ТМ в курином помете превышает в среднем в 3 раза, а в биогумусе ниже этих значений (кроме свинца) (табл. 1). Следовательно, в курином помете наблюдается значительное превышение ТМ по сравнению с кларковыми значениями.
Таблица 1
Содержание подвижных форм тяжелых металлов в пробах куриного помета, биогумуса и калифорнийских червей научно-производственного цеха по производству «Биогумуса» птицефабрики СХАО «Белореченское» (мг/кг воздушно-сухой массы)
Тяжелые металлы Кларк почв Государственный стандарт Содержание тяжелых металлов в исследуемых пробах
Куриный помет Биогумус Калифорнийский червь
Кадмий 0,35 0,1 - - -
Кобальт 8 9 18±1,1 6±0,5 32±1,4
Свинец 12 18 117±1,2 28±1,5 104±1,5
Цинк 90 56 183±1,7 70±4,9 172±2,3
В процессе вермикомпостирования наблюдались колебания активности ферментов: фосфатазы, нуклеазы, каталазы и уреазы. В компосте куриного помета отмечается низкая активность по четырем ферментам. На стадии вермикомпостирования в верхнем слое (0-2 мес) их активность возрастала за счет деятельности калифорнийских червей. На второй стадии в среднем слое (2-4 мес) отмечено снижение активности ферментов, ввиду отсутствия в промежуточном слое калифорнийских червей. На третьей стадии в нижнем слое (4-6 мес) активность ферментов повысилась за счет анаэробной микрофлоры [4]. Конечный продукт вермикомпостирования - биогумус с гигроскопической влажностью 26,5 % обладал низкой ферментативной активностью по сравнению с вермикомпостами (рис. 3). При ферментации компоста куриного помета в вермикомпост активность ферментов возросла: фосфатазная - в 2,3 раза, нуклеазная, каталазная и уреазная в 1,2 - 1,3 раза.
уреаза
каталаза
нуклеаза
фосфатаза
Рис. 3. Ферментативная активность процесса вермикомпостирования
Ферментативная активность биогумуса научно-производственного цеха по производству «Биогумуса» птицефабрики СХАО «Белореченское» составляла по фосфатазе -11,3±0,6 мг, нуклеазе - 60,6 ±4,75, каталазе - 53,1±0,03 и уреазе - 42,8±0,29 мг, что позволило по степени обогащенности почв ферментами отнести его к категории «богатая» (табл. 2) [6].
Таблица 2
Активность почвенных ферментов в процессе вермикомпостирования
Исследуемый материал Фосфатаза, мг Р2О5 на 10 г за 1 ч Нуклеаза, мг депо-лимеризованной НК за 1 ч в расчете на 1 г почвы Каталаза, О2 см3/г за 1 мин Уреаза, мг NH4 на 10 г за 24 ч
Компост куриного помета 12,3±0,70 108,5±0,50 52,3±0,03 45,0±0,50
Вермикомпост верхний слой (0-10 см) 24,4±0,10 121,8±2,65 51,8±0,10 50,5±0,34
Вермикомпост средний слой (10-20 см) 17,2±0,80 102,3±5,35 45,6±0,13 44,2±0,17
Вермикомпост нижний слой (20-30 см) 31,3±0,60 117,9±7,50 54,1±0,13 58,4±0,25
Биогумус 11,3±0,60 60,6±4,75 53,1±0,03 42,8±0,29
Категории степени обогащенности почв ферментами [5]
Очень бедная < 0,5 - <5 <3
Бедная 0,5-1,5 - 1-3 3-10
Средняя 1,5-5,0 - 3-10 10-30
Богатая 5-15 - 10-30 30-100
Очень богатая >15 - >30 >100
Выводы
Впервые изучены микробиологические и физико-химические характеристики куриного помета, компоста куриного помета, вермикомпоста разных сроков созревания и биогумуса. Проведена оценка влияния физико-химических факторов на микробиологические показатели и ферментативную активность.
В соответствии с технологическим режимом при компостировании куриного помета происходило значительное снижение общего микробного числа (в 26,8 раза), а при верми-компостировании отмечается обогащение полезной микрофлорой (в 1,8 раза). В пробе куриного помета выделили Escherichia coli, в биогумусе энтеробактерии не обнаружены.
После переработки куриного помета в биогумус содержание подвижных форм кобальта, свинца и цинка в среднем уменьшилось в 3,2 раза. Содержание цинка, свинца и кобальта в пробах калифорнийских червей было в среднем в 3,8 раза, чем в биогумусе.
компост верхний средний нижний биогумус куриного слой 0-2 слой 2-4 слой 4-6 помета мес мес мес
Максимальная биохимическая активность фосфатазы, нуклеазы, каталазы и уреазы отмечалась в вермикомпосте со сроком созревания 4-6 мес. При оценке ферментативной активности по степени обогащенности почв биогумус относится к категории «богатая». Биогумус научно-производственного цеха по производству биогумуса птицефабрики СХАО «Белореченское» соответствует ТУ 2186-004-0167387-99.
Библиография
1. ГОСТ 17.4.4.02-84 Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. - М., 1983.
2. ГОСТ 26.483.85-85 Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО. - М., 1983.
3. ГОСТ 51301-99 Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов (кадмия, свинца, меди и цинка). - М., 1999.
4. Городний Н.М., Мельник И.А., Повхан М.Ф. Биоконверсия органических отходов в биодинамическом хозяйстве - Киев: Урожай, 1990. - 256 с.
5. Игонин А.М. Дождевые черви: как повысить плодородие почв в десятки раз, используя дождевого червя - «старателя». - Ковров: Маштекс, 2002 - 192 с.
6. Мелехова О. П., Егорова Е. И., Евсеева Т. И. и др. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Academia, 2007. - 288 с.
7. Морев Ю.Б. Искусственное разведение дождевых червей. - Фрунзе: Илим, 1972. - 62 с.
8. Вейде А.А., Загоскина Т.Ю., Балахонов С.В. и др. Методическое руководство к практическим занятиям по лабораторной диагностике энтеробактериозов / Иркутский ордена Трудового Красного Знамени государственный научно-исследовательский противочумный институт Сибири и ДВ. - Иркутск, 2005. - 52 с.
9. Покровская С.Ф., Прижуков Ф.Б. Вермикомпостирование // Земледелие. -1990. - № 12. -
С. 57-59.
10. Сидоренко О.Д., Черданцев Е.В. Биологические технологии утилизации отходов животноводства. - М.: МСХА, 2001. - 75 с.
11. Стадник Б.Г. Вермикультивирование многоцелевое рентабельное производство // Химия в сел. хоз-ве: Агрохим. вестн. - 1997. - №5.- С. 39-40.
12. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. - М.: Наука, 1993. - 175 с.
13. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 189 с.
14. ru.wikipedia.org
Bibliography
1. State Standard 17.4.4.02-84 Soils. Methods of sample selection and preparation for chemical, bacteriological, helminthological analysis. - М., 1983.
2. State Standard 26.483.85-85 Soils. Preparation of a salt extract and its рН definition by CRIASA method. - М., 1983.
3. State Standard 51301-99 Food products and food raw materials. Inversion-voltamperometric methods for toxic element detection (cadmium, lead, copper and zinc). - М., 1999.
4. Gorodny N.M., Melnik I.A., Povhan M.F. Bioconversion of organic waste in a biodynamic farm. -Kiev: Urozhay, 1990. - 256 p.
5. Igonin A.M. Earthworms: how to raise soil fertility in ten times using earthworms - «miner». - Kovrov: Mashtex, 2002. - 192 p.
6. Melekhova O.P., Egorova Е.1, Evseeva Т.1 et al. Biological control of environment: bioindication and biotesting: Manual for students of Higher Educational Institutions. - М.: Academy, 2007. - 288 p.
7. Моrev Yu.B. Artificial culture of earthworms. - Frunze: Ilym, 1972. - 62 p.
8. Methodical Guidance for practical classes in enterobacterium diagnostic laboratory. - Irkutsk, 2005. - 52 p.
9. Pokrovskaya S.F, Prizhukov F.B. Vermicomposting // Zemledelie. - 1990. - N 12. - P. 57-59.
10. Sidorenko O.D., Cherdantsev E.V. Biological technologies of animal husbandry waste recycling. -M.: Russian State Agricultural University, 2001. - 75 p.
11. Stadnik B.G. Vermicultivation is a multi-purpose profitable production. - Chemistry in agriculture: Agrochemical Bulletin. - 1997. - N 5. - P. 39-40.
12. Tepper E.Z., Shilnikova V.K., Pereverzeva G.I. Practical works on microbiology. - M.: Nauka, 1993. - 175 p.
13. Khaziev F.Kh. Methods of soil enzymology. - M.: Nauka, 1990. - 189 p.
14. http://ru.wikipedia.org
