Вермикомпостирование
Вермикомпостирование
Как известно, упадок отрасли животноводства не позволяет вносить органические удобрения в нужных для восстановления плодородия почв объемах. Это приведет, с одной стороны, к поиску альтернативных путей поступления органического вещества, а с другой - бережное отношение к навозу в качестве сырья, на основе которой можно создать ценные биоорганические удобрения. Есть различные технологии подготовки навоза к использованию в земледелии, среди них такие давно известные, как компостирования, ферментация и тому подобное. Рассмотрим несколько современных технологий компостирования органического вещества.
Как известно, упадок отрасли животноводства не позволяет вносить органические удобрения в нужных для восстановления плодородия почв объемах. Это приведет, с одной стороны, к поиску альтернативных путей поступления органического вещества, а с другой - бережное отношение к навозу в качестве сырья, на основе которой можно создать ценные биоорганические удобрения. Есть различные технологии подготовки навоза к использованию в земледелии, среди них такие давно известные, как компостирования, ферментация и тому подобное. Рассмотрим несколько современных технологий компостирования органического вещества.
Вермикомпостирование
В середине прошлого века активного развития получила технология вермикомпостирования (лат. vermis - червь). Она базируется на способности красного калифорнийского гибрида (ЧКГ) (Eisenia foetida andrei) поглощать большое количество органического вещества, а вместе с ним и бактерий, грибов, водорослей, простейших. Известно, что черви способствуют переводу питательных веществ в доступную форму, активизируют микробиологическую активность. Разложение органических остатков сопровождается синтезом комплекса гумусовых соединений. В результате масса органических веществ уменьшается, субстрат обогащается азотом, гумусом, растет его зольность.
С времен селекции ЧКГ (1959) в этой технологии исследовались только физические параметры компостирования, такие как температура, влажность, рН, условия размножения вермикультуры и тому подобное. В 90-х гг. прошлого века начато активное изучение микробиологических аспектов вермикомпостирования. Установлено, что вермикомпост является разнообразной по составу микробиоты, чем обычные компосты. Интересно, что вермикультура имеет стерилизационный эффект в отношении патогенных микроорганизмов. Так, изучение санитарного состояния компостов показало, что вермикомпост не содержит представителей опасных групп микроорганизмов.
Выяснение микробиологических особенностей компостирования с участием калифорнийского червя позволило научно обосновать природу ряда процессов. Так, показано, что в организме червя органическое вещество меняется, биохимически трансформируется, обогащается питательными веществами, ферментами и микроорганизмами. Кишечник червя является своеобразным фильтром и одновременно ферментативной системой для микроорганизмов. Часть микроорганизмов, попадающих в кишечник червя, обезвреживаются, остальные размножаются и обогащают субстрат.
В компосте при культивировании червя наблюдается уменьшение длины грибного мицелия и неизменность численности актиномицетов против традиционного компоста. Кроме подавления развития грибов в вермикомпосте наблюдается тенденция к изменению состава микромицетов, а именно: уменьшается разнообразие Cladosporium sp. (что является в основном патогенными грибами) и появляется Trichoderma sp., известный как антагонист ряда фитопатогенных микроорганизмов. Вероятно, именно развитие триходермы способствует снижению уровня болезней сельхозкультур, вызваных фитопатогенными грибами, при использование вермикомпоста.
В ходе вермикомпостирования также наблюдается увеличение активности целлюлозолитической микробиоты. Обнаружено постепенное развитие микроорганизмов, разлагающих клетчатку. Среди них преобладают бактерии и в меньшей степени грибы и стрептомицеты.
В вермикомпосте также выявлена прямая зависимость между содержанием подвижных соединений фосфора и численности микроорганизмов, которые разлагают органические и минеральные фосфаты.
В результате физико-химических, биохимических и микробиологических преобразований в кишечнике червя органические отходы трансформируются в копролиты (kopros - испражнение, Litos - камень). Конечным продуктом вермикомпостирования является Вермикомпост (коммерческое название - биогумус) - мелкозернистый продукт темного цвета без запаха и с хорошей водоупорной структурой. Как сравнить с традиционными компостами, в биогумусе выше содержание подвижных форм элементов питания растений, в частности калия - в 10-11 раз, фосфора - 6-7, кальция и магния - в 2-3 раза, а коэффициент гумификации возрастает в 1,5- 2 раза. В компосте аккумулируется большое количество витаминов, антибиотиков, аминокислот, непосредственно усваиваются растениями. В биогумусе обнаружено значительное количество других биологически активных веществ (ауксины, цитокинины и др.).
Сейчас происходит как бы повторное «открытие» дождевых червей. Сегодня кроме ЧКГ селекционированы ряд технологических видов навозных червей, представителей Lumbricus rubellus, Dendrobaena veneta, Eudrilus eugeniae, Perionyx excavates. Все они принадлежат к кольчатым червям, в группу высших червей (входят в класс малощетинковых червей - олигохет, к семье Lumbricidae). Однако наибольшее распространение в технологии вермикомпостирования приобрел все же ЧКГ (Eisenia foetida andrei), который отличается высокой плодовитостью и продолжительностью жизни.
Несмотря на преимущества и перспективность вермикомпостирования, технология имеет определенные недостатки. Среди них - значительная продолжительность компостирования (4-6 месяцев), неуправляемость микробиологических процессов и получения компоста в качестве органического удобрения общего назначения, не позволяет решать отдельные проблемы в выращивании сельхозкультур.
Инокуляция микроорганизмами
Одним из путей преодоления последнего недостатка является создание на основе биогумуса удобрений и микробных препаратов с заданными свойствами (фунгицидными, ростстимулирующими, фосфатмобилизирующими и др.) путем инокуляции компоста агрономически ценными микроорганизмами. В большей степени сегодня это является гипотетическим. Однако такие попытки описано в литературе. Так, в частности, разработан способ получения биоудобрения путем компостирования органических отходов при участии «Оболенского гибрида», полученного в результате скрещивания ЧКГ с российской популяцией дождевых червей Eisenia foetida. Вермикомпостирование осуществляется при температуре +16 ... 24 °С в течение 4-6 месяцев. В полученный биогумус вносят микроорганизмы, обладающие фунгицидными свойствами. Микроорганизмы вносят после удаления червей и созревания биогумуса. Как продуцент фунгицидов используют штамм бактерий Bacillus subtilis ИПМ - 215 в количестве от 1 х 109 до 1 х 1012 спор на 1 кг биогумуса, или культуру Trichoderma viride 16 в концентрациях от 1 х 104 до 1 x 10 8 колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 кг биогумуса.
Другим способом является технология, которая предусматривает внесения в торфогноевый компост бактерии Pseudomonas fluorescens. В закрытом от солнечных лучей помещений смесь выдерживают при температуре 20 °С в течение 3 суток с периодическим перемешиванием. За время инкубации титр бактерий должен достигать 2,5 х 109 КОЕ/г компоста.
Более позитивное отношение к другой технологии получения биогумуса. Технология вермикомпостирования аналогична предыдущей разработки, но после отделения червей от биогумуса субстрат подсушивают к влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, вносят кукурузный экстракт в количестве 1-5% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин. при 0,8-1,2 атм. После этого в одном случае вносят штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum 319 и выдерживают до достижения титра 8 х 1010 КОЕ/г компоста, во втором – Bradyrhizobium japonicum B - 2437 (культивируют до достижения титра 9 х 109 КОЕ/г удобрения). Полученный биогумус является благоприятным субстратом для развития фосфатмобилизирующих и азотфиксирующих микроорганизмов и имеет питательные и ростстимулирующие вещества, необходимые для развития и полноценного продукционного процесса культурных растений.
Недостатками описанных способов есть большие трудозатраты и многоэтапность процессов производства, а также отсутствие данных по приживаемости инокулянтов в компосте полученном при участии вермикультуры.
Недостатками описанных способов есть большие трудозатраты и многоэтапность процессов производства, а также отсутствие данных по приживаемости инокулянтов в компосте полученном при участии вермикультуры.
Интродукция микроорганизмов
Еще одним направлением управляемого компостирования (в микробиологическом понимании является интродукция к компостированию субстрата агрономически ценного микроорганизма, который будет доминировать в микробной группировке компостированного субстрата. Для этого должны быть учтены особенности сукцессии микроорганизмов в ходе компостирования и четко определенный этап, который будет способствовать удачной интродукции. Это принципиально новый технологический вектор, который может обеспечить трансформацию навоза в своеобразные биоорганические удобрения с заданными свойствами.
Оптимальное соотношение компонентов для биокомпостирования в процентах от массы навоза такова: фосфоритная мука - 10; вермикультура - 1; суспензия
Pseudomonas putida 17 добавляют с расчета 4-8 х 1010 клеток на килограмм стбстрата. Для получения максимально эффективного компоста нужно придерживаться определенных этапов и условий компостирования. Технология предусматривает два основных этапа: предварительная подготовка и собственно вермикомпостирование. Подготовка предусматривает ферментацию навоза КРС и установления в субстрате оптимального соотношения. Для предварительной ферментации свежий гной укладывают в бурты высотой до 2 м и шириной до 3 м. Предварительная ферментация есть необходимым этапом для эффективного компостирования субстрата, поскольку свежий навоз КРС является неблагоприятным как для развития дождевого червяка, так и интродуцированного бактериального штамма.
Pseudomonas putida 17 добавляют с расчета 4-8 х 1010 клеток на килограмм стбстрата. Для получения максимально эффективного компоста нужно придерживаться определенных этапов и условий компостирования. Технология предусматривает два основных этапа: предварительная подготовка и собственно вермикомпостирование. Подготовка предусматривает ферментацию навоза КРС и установления в субстрате оптимального соотношения. Для предварительной ферментации свежий гной укладывают в бурты высотой до 2 м и шириной до 3 м. Предварительная ферментация есть необходимым этапом для эффективного компостирования субстрата, поскольку свежий навоз КРС является неблагоприятным как для развития дождевого червяка, так и интродуцированного бактериального штамма.
Продолжительность ферментации составляет 3-4 месяца с периодическим перемешиванием (раз в месяц). Перемешивание способствует проникновению в массу органического материала дополнительного количества кислорода. Увеличение объемов кислорода в субстрате обеспечивает более быстрое разложение органического вещества и, как следствие, сокращение продолжительности ферментации.
Немаловажным в ходе первичной ферментации является визуальное установление готовности субстрата для вермикомпостирование. Для этого стоит обратить внимание на следующие признаки:
• органика должна быть равномерно ферментированная;
• растительные компоненты субстрата теряют свою устойчивость и приобретают темно-коричневую окраску;
• растительные компоненты субстрата теряют свою устойчивость и приобретают темно-коричневую окраску;
• как индикатор качества субстрата используют также вермикультуры - для этого небольшое количество ферментированного навоза, увлажненное до 70-80%, переносят в ящик. На поверхность субстрата запускают несколько десятков особей дождевых червей. Если они в течение нескольких минут углубятся в ферментированный субстрат, навоз является готовым для вермикомпостирования.
Установление оптимального соотношения С:N является принципиальным для получения качественного компоста. Оптимальным соотношением С:N 20:1. Широкое соотношение не обеспечивает достаточного количества азота для метаболизма микроорганизмов при их высокой активности. Это приводит к иммобилизации азота. Нужно учитывать, что для роста и развития микроорганизмов углерода нужно в несколько раз больше, чем азота. Углерод ними используется как источник энергии и элемент питания, а азот только как питательный элемент. В случае увеличения соотношение замедляется процесс деструкции сложных органических веществ при незначительных потерь азота. Если соотношение уже, разложение ускоряется, но резко возрастают потери азота. Процесс вермикомпостирования таков:
1. После предварительной ферментации навоз, который потерял запах аммиака, смешивают с фосфоритной мукой в соотношении 9:1.
Установление оптимального соотношения С:N является принципиальным для получения качественного компоста. Оптимальным соотношением С:N 20:1. Широкое соотношение не обеспечивает достаточного количества азота для метаболизма микроорганизмов при их высокой активности. Это приводит к иммобилизации азота. Нужно учитывать, что для роста и развития микроорганизмов углерода нужно в несколько раз больше, чем азота. Углерод ними используется как источник энергии и элемент питания, а азот только как питательный элемент. В случае увеличения соотношение замедляется процесс деструкции сложных органических веществ при незначительных потерь азота. Если соотношение уже, разложение ускоряется, но резко возрастают потери азота. Процесс вермикомпостирования таков:
1. После предварительной ферментации навоз, который потерял запах аммиака, смешивают с фосфоритной мукой в соотношении 9:1.
2. Интродукция к компоста штамма фосфатмобилизурующей бактерии Pseudomonas putida 17. Суспензию бактерий к субстрату вносят из расчета 4-8 x 1010 клеток на килограмм компоста. Внесение с поливной водой обеспечивает равномерное рассредоточения бактерий в массе навоза. Влажность субстрата после полива должна быть в пределах 70-85%.
3. К полученной смеси вносят вермикультуру ГКЧ в количестве 1% от общей массы навоза.
4. Полученную смесь укладывают в бурты высотой 1-1,5 м, шириной 1,5-2,0 м. (увеличение размеров бурта нецелесообразно, поскольку это приводит к самосогреванию компоста, что ведет к гибели полезной микрофлоры субстрата.)
Смесь укрывают пленкой или другим аналогичным материалом, чтобы предотвратить расходы влаги и образованию корки. Субстрат следует обезопасить от перегрева солнечными лучами, для этого его укрывают соломой.
5. Компостирование длится на протяжении 3 месяцев с периодическим перемешиванием компостной массы один раз в 2-3 недели.
При больших объемов субстрата можно применять транспортный погрузчик, с помощью которого масса несколько раз поднимается и опускается, что позволяет насытить субстрат кислородом.
4. Полученную смесь укладывают в бурты высотой 1-1,5 м, шириной 1,5-2,0 м. (увеличение размеров бурта нецелесообразно, поскольку это приводит к самосогреванию компоста, что ведет к гибели полезной микрофлоры субстрата.)
Смесь укрывают пленкой или другим аналогичным материалом, чтобы предотвратить расходы влаги и образованию корки. Субстрат следует обезопасить от перегрева солнечными лучами, для этого его укрывают соломой.
5. Компостирование длится на протяжении 3 месяцев с периодическим перемешиванием компостной массы один раз в 2-3 недели.
При больших объемов субстрата можно применять транспортный погрузчик, с помощью которого масса несколько раз поднимается и опускается, что позволяет насытить субстрат кислородом.
Стоит обратить внимание, что продолжительность компостирования не следует увеличивать более 3 месяцев, поскольку это приводит к снижению содержания водорастворимых форм фосфатов в компосте.
Необходимым условием эффективного вермикомпостирования является поддержание влажности субстрата на уровне 70-85%. Снижение или увеличение содержания влаги в компосте вызывает гибель вермикультуры, приводит к неполной переработки органики и снижение качества вермикомпоста. Лучшим способом контроля влажности субстрата является регулярное его определения с помощью грунтовых влагомеров или гравиметрическим методом.
Полученный через три месяца компост просеивают через механическое сито. Таким образом, получают биогумус, отделенный от вермикультуры и непереработанные части органики. Далее компост подсушивают до влажности 45-50%.
Такие технологические параметры обеспечивают наибольшее высвобождение водорастворимых фосфатов (увеличение к контролю - до 39%). Кроме этого, компост характеризуется повышенной численностью фосфат - мобилизирующих микроорганизмов и содержит ростстимулирующие вещества ауксинов и цитокининовой природы. Обогащение компоста фитогормонами происходит путем их продуцирования бактерией Pseudomonas putida 17 и развития вермикультуры. Так, содержание физиологически активных веществ, в частности ауксинов, достигает 0,96 мкг/г сухого вещества, цитокининов: зеатин - 0,62 мкг/г и зеатин-рибозида - 0,46 мкг/г сухого вещества (например - компост, полученный без Pseudomonas putida 17, имеет содержание ауксинов - 0,16 мкг/г, цитокининов: зеатин - 0,16 мкг/г и зеатин-рибозида - 0,14 мкг/г сухого вещества). Поэтому разработана технология позволяет осуществлять управляемое вермикомпостирование и получать биоорганическое удобрение с заданными параметрами, желательно для оптимизации питания культурных растений.
Таким образом, учет, как агрохимических показателей, так и микробиологических особенностей процесса компостирования позволит изменить механистические подходы к процессам компостирования на научно обоснованные и создать спектр биоорганических удобрений и биопрепаратов, которые будут иметь разное функциональное направление. В частности, возможно создание компостов с повышенным содержанием фитогормонов, растворимых соединений фосфора или обогащенных грибами-антагонистами отдельных возбудителей болезней сельхозкультур и др.
Полученный через три месяца компост просеивают через механическое сито. Таким образом, получают биогумус, отделенный от вермикультуры и непереработанные части органики. Далее компост подсушивают до влажности 45-50%.
Такие технологические параметры обеспечивают наибольшее высвобождение водорастворимых фосфатов (увеличение к контролю - до 39%). Кроме этого, компост характеризуется повышенной численностью фосфат - мобилизирующих микроорганизмов и содержит ростстимулирующие вещества ауксинов и цитокининовой природы. Обогащение компоста фитогормонами происходит путем их продуцирования бактерией Pseudomonas putida 17 и развития вермикультуры. Так, содержание физиологически активных веществ, в частности ауксинов, достигает 0,96 мкг/г сухого вещества, цитокининов: зеатин - 0,62 мкг/г и зеатин-рибозида - 0,46 мкг/г сухого вещества (например - компост, полученный без Pseudomonas putida 17, имеет содержание ауксинов - 0,16 мкг/г, цитокининов: зеатин - 0,16 мкг/г и зеатин-рибозида - 0,14 мкг/г сухого вещества). Поэтому разработана технология позволяет осуществлять управляемое вермикомпостирование и получать биоорганическое удобрение с заданными параметрами, желательно для оптимизации питания культурных растений.
Таким образом, учет, как агрохимических показателей, так и микробиологических особенностей процесса компостирования позволит изменить механистические подходы к процессам компостирования на научно обоснованные и создать спектр биоорганических удобрений и биопрепаратов, которые будут иметь разное функциональное направление. В частности, возможно создание компостов с повышенным содержанием фитогормонов, растворимых соединений фосфора или обогащенных грибами-антагонистами отдельных возбудителей болезней сельхозкультур и др.