Способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений

Способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений

Реферат

Изобретение относится к растениеводству, в частности к технологии приготовления комплексных почвоудобрительных биопрепаратов.

В последние годы все большее применение в сельском хозяйстве находит биогумус - продукт вермикомпостирования различных органических отходов промышленного и сельскохозяйственного производства специально выведенной расой дождевых червей. Биогумус содержит гуминовые и фульвокислоты, макро- и микроэлементы, аминокислоты и гиббереллины и другие биологически активные вещества в доступной растениям форме. Поэтому само по себе применение биогумуса повышает урожайность сельскохозяйственных культур и увеличивает плодородие почв.

Известный способ утилизации органических отходов в биогумус включает приготовление субстрата путем смешивания компонентов, одним из которых являются отходы животного происхождения, внесение в него червей и/или их коконов, укладку субстрата в коробку или гряды и компостирование при влажности 65-80% и аэрации, отделение червей от полученного биогумуса. В качестве главного компонента в субстрат вводят скоп, являющийся отходом производства картона, в количестве 20-80% к общей массе субстрата. В качестве отходов животного происхождения применены навоз крупного рогатого скота и/или навоз свиней и помет птиц, применены черви вида Eisenia foetida в количестве 15-25 тыс. особей на 1 м². При низком содержании азота в субстрате после смешивания компонентов вводят добавки азота минеральных удобрений в виде мочевины в количестве не более 5% от общей массы субстрата с одновременной добавкой известняковой муки в количестве, обеспечивающем рН среды готового субстрата не более 8 (пат. РФ №2057743, кл. C 05 F 3/06, 10.04.1996).

Однако данный способ имеет некоторые недостатки. Введение скопа (отходов производства картона) не всегда возможно в связи с отсутствием сырья. Кроме того, широкий диапазон величины его ввода не позволяет стандартизировать процесс вермикомпостирования, так как доля скопа влияет на активность червей. Вызывает сомнение, что мочевина может обеспечивать заявляемый эффект. Кроме того, как и в вышеуказанном аналоге, маловероятно, чтобы полученный таким способом биогумус включал в себя необходимое количество полезных микроорганизмов, которые способны обеспечивать лечебное действие с одновременным обладанием почвоудобрительными качествами.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения биоудобрения, заключающийся в получении биогумуса путем вермикомпостирования сельскохозяйственных и промышленных отходов с использованием дождевых червей, отделения биогумуса от червей и его досушивания, причем из дождевых червей используют червей "Оболенский гибрид", полученных нами путем скрещивания "Красного калифорнийского гибрида" с российской популяцией дождевых червей Eisenia foetida, при этом вермикомпостирование осуществляют при температуре 16-24°С в течение 4-6 месяцев, в полученный биогумус вносят микроорганизмы, обладающие фунгицидными свойствами. В способе микроорганизмы, обладающие фунгицидной активностью, вносят после отделения червей или после дозревания биогумуса, кроме того, в качестве их используют штамм бактерий Bacillus subtilis ИПМ-215 в концентрациях 1·10⁹-1·10¹² спор на 1 кг биогумуса или культуру микофильного гриба Trichoderma viride Pers ex S.F.Gray 16 в концентрациях 1·10⁴-1·10⁸ колониеобразующих единиц на 1 кг биогумуса (пат. РФ №2125549, кл. C 05 F 11/08, 1999 г., бюл. №3 - прототип).

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, использование указанного гибрида не позволяет повсеместно получать качественный биогумус, так как климатические условия нашей страны очень разнообразны. Во-вторых, вызывает сомнение возможность использования данной технологии в южных регионах России, так как указанный диапазон температур не позволяет в теплые месяцы проводить культивирование данного гибрида, а время культивирование (4-6 месяцев) не позволяет получать достаточное количество биогумуса. Кроме того, дефицит азота и доступного фосфора во многих агроландшафтах требует дополнительного азотного и фосфорного питании, что не может обеспечить предлагаемый препарат. Кроме того, низкий титр антифунгицидного компонента вышеуказанного препарата (1·10⁹-1·10¹² спор на 1 кг биогумуса) требует высоких доз внесения для борьбы с болезнями, что делает экономически не эффективным применение биопрепарата.

Известные способы не позволяют получать биопрепарат с высоким титром фунгицидных микроорганизмов и препаратов с обладающий одновременного почвоудобрительной (азотфиксирующей и фосфоролитической) активностью при наличии большого количества питательных веществ.

Техническим решением задачи является расширение ассортимента биопрепаратов, повышения их биологической активности комплексного спектра действия за счет включения нескольких штаммов в составе препарата, улучшение агрохимических показателей почвы за счет питательных веществ, находящихся в биогумусе, наличия у препарата дополнительно к фунгицидной также и азотфиксирующей, фосфоролитической активностей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений, включающий получение биогумуса путем вермикомпостирования органических отходов с использованием дождевых червей и внесение в биогумус микроорганизмов, причем в качестве органических отходов используют навоз сельскохозяйственных животных, предварительно нейтрализованный до рН 7-8, а в качестве дождевых червей используют гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции, в количестве 10⁴ на м², при этом вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев при температуре 16-32°С в естественных условиях, причем после отделения червей из биогумуса виброситом с размером пор 0,5-1,0 см биогумус подсушивают до влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, в которых автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum 319 и штамм Agrobacterium radiobacter 204 при следующем соотношении компонентов, %:

штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum 319	20-40
штамм Agrobacterium radiobacter 204	60-80

Заявленный способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений отличается от прототипа режимами изготовления биогумуса и дополнительным введением видов микроорганизмов с другими физиологическими свойствами, комбинация которых с уже существующими обеспечивает принципиально новые свойства биопрепарату.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение поставленной задачи и не выявлены при изучении патентной и научно-технической литературы в данной и смежной областей науки и техники и, следовательно, соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений реализуется следующим образом.

Пример 1. Навоз крупного рогатого скота складируется в бурты размером 1·5·1,5 метров. Навоз перелопачивается до достижения им температуры окружающей среды. Для регуляции кислотности используется мел или гашеная известь. Защелачивание проводят послойно до достижения навозом рН 7-8. Если кислотность навоза будет менее 7 ед., то черви развиваться в нем не будут, а значит, биогумус не будет образовываться. Если кислотность навоза будет более 8 ед., то черви развиваться также в нем не будут, так как это значение рН для них также не оптимально, кроме того, будет перерасход защелачивающего агента, что приведет к дополнительным расходам на подготовке субстрата для червей. Таким образом, оптимальной кислотностью навоза для развития червей является рН, равная 7,5 ед.

В качестве кольчатых червей используется гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции, полученный при совместном культивировании гибрида красного калифорнийского червя с кубанской популяцией кольчатых навозных червей. Это связано тем, что гибрид красного калифорнийского червя очень чувствителен к условиям внешней среды и требует оптимальной температуры, определенных качеств субстрата, что делает его не технологичным в наших условиях. В то же время, кольчатые навозные черви, обитающие в почве, хотя и всеядны, но низкопродуктивны и сохраняют инстинкт к миграции, что делает их неудобным объектом для вермикомпостирования. Поэтому использование адаптированной породы обеспечивает достаточно высокую степень продуктивности червей и одновременно низкую восприимчивость к внешним условиям среды.

Готовый к использованию навоз заселяют червями из расчета 10 тыс. червей на 1 м², предварительно проверив тестом "50 червей", который позволяет оценить качество субстрата. Заселение производится вечером или в пасмурный день, так как черви не выносят прямых солнечных лучей. Навалы с заселенным червями субстратом сверху накрывают травой для защиты от солнца и снижения испарения воды. Навалы периодически поливают, рыхлят верхний слой субстрата. Вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев. Если время культивирования составляет менее 2 месяцев, то гибрид красного калифорнийского червя и кольчатого червя кубанской популяции не переработает субстрат, а значит, выход биогумуса будет незначительный. Если время культивирования составляет более 3 месяцев, то гибрид красного калифорнийского червя и кольчатого червя кубанской популяции, переработав весь субстрат, начтет угнетаться и терять продуктивность, а кроме того, это увеличивает время процесса приготовления биопрепарата, что увеличивает его себестоимость. Поэтому оптимальным временем культивирование червей в субстрате составляет 2,5 месяцев. Оптимальное культивирование червей в субстрате осуществляют при температуре 24°С. Если температура культивирования составляет менее 16°С, то метаболизм и рост гибридных червей замедляется, а значит и эффективность конверсии субстрата в биогумус будет низкая. Если температура культивирования составляет более 32°С, то рост вермикультуры также будет низким.

В результате роста и размножения червей происходит переработка навоза в биогумус. Отделение червей осуществляют на механических виброситах, причем остающиеся на сите черви используются для последующего получения биогумуса из следующей партии навоза. При этом оптимальным является размер пор сита 0,75 см, что позволяет получать чистый биогумус, свободный от частиц непереработанного субстрата и остатков мусора. Если величина пор сита будет менее 0,5 см, то скорость просеивания будет низка, что увеличит время технологической операции. Если величина пор сита будет более 1,0 см, то вместе с частицами биогумуса в емкость с готовым продуктом будут попадать и частицы не переработанного субстрата, что будет негативно сказываться на качестве готового продукта.

Полученный биогумус подсушивается в потоке горячего воздуха до влажности 55% и складируется в крафт-мешки. Если влажность готового биогумуса будет менее 50%, то будет происходит перерасход теплоносителя при сушке продукта и это потребует дополнительного ввода воды для комфортного развития вносимых в биогумус антифунгицидных, азотфиксирующих бактерий и микроорганизмов, обеспечивающих перевод трудноусвояемых форм фосфора в легкодоступные для растений. Если влажность готового биогумуса будет более 60%, то качество готового продукта ухудшится так как получаемое удобрение потеряет сыпучесть, а кроме того, аэрация субстрата будет низкая, что приведет к замедленному развитию микроорганизмов.

Полученный вышеуказанным способом биогумус используется одновременно в качестве и носителя, и субстрата для развития и размножения микроорганизмов. По мере необходимости биогумус из крафт-мешков расфасовывается по полипропиленовым пакета в зависимости от объемов использования от 1 кг до 5 кг в пакет. Пакеты закрываются ватно-марлевыми пробками и стерилизуются в автоклаве. При режиме 1 атм в течение одного часа, что является оптимальным режимом стерилизации. Если время стерилизации будет менее 45 мин, а давление в автоклаве менее 0,8 атм, то полной стерилизации субстрата не произойдет и в нем останутся микроорганизмы, которые будут мешать росту и развитию полезных микроорганизмов, а значит, их нужного титра нужные бактерии не достигнут, что снизит качество препарата. Если время стерилизации будет более 75 мин, а давление в автоклаве более 1,2 атм, то за счет жесткого режима автоклавировния в субстрате (биогумусе) образуются вещества, токсичные для вносимых в дальнейшем микроорганизмов, и качество препарата снизится, кроме того, себестоимость бактериального препарата будет высокая за счет перерасхода теплоносителей.

Для засева биогумуса используют посевной материал из коллекции чистых культур Федерального государственного учреждения "Краснодарский биоцентр". Пробирку с лиофилизированной чистой культурой Agrobacterium radiobacter штамм 204 оживляют с помощью питательного раствора. Производят засев оживленной культуры в колбы на 750 мл по 200-250 мл питательной среды, представляющей собой гороховый отвар, который дополнительно содержит сахарозу и минеральные соли. Затем полученный маточный раствор засевают в бутыли объемом 5 литров, содержащих по 2,0-2,5 литра питательной среды, включающую в себя кукурузный экстракт, мелассу и минеральные соли. Пробирку с чистой культурой Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 оживляют, производят засев в питательную среду, представляющую собой раствор кукурузного экстракта, мелассы, сульфата аммония и мела. Аналогичным образом оживляют и Bacillus subtilis ИПМ-215, обладающей фунгицидной активностью.

Полученный таким образом рабочие растворы штаммов вида Bacillus subtilis ИПМ-215, Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 и Agrobacterium radiobacter 204 засевают стерильно в биогумус из расчета конечного общего титра микроорганизмов 8,5·10⁸. Если микроорганизмов вида Agrobacterium radiobacter штамм 204 будет менее 60%, то эффективного ассоциативного процесса азотфиксации с растениями не произойдет. Если микроорганизмов вида Agrobacterium radiobacter штамм 204 будет более 80%, то соотношение азотфиксирующего вида микроорганизмов, а также фосфоролитической бактерии Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 будет неоптимальным и эффективного взаимодействия с растениями этих штаммов не произойдет и качество препарата будет низким. Таким образом, оптимальным содержанием в препарате представителей вида Agrobacterium radiobacter штамм 204 будет 70%. Если микроорганизмов вида Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 будет менее 20%, то эффективного лизиса труднорастворимых форм фосфора не происходит, и качество препарата будет низким. Если микроорганизмов вида Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 будет более 40%, то соотношение штаммов азотфиксирующих бактерий и фосфоролитических микроорганизмов будет не оптимальным и эффективного лизиса труднорастворимых форм фосфора препарат производить не будет, а значит, качество его будет низким. Таким образом, оптимальным содержанием в препарате представителей вида Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 будет 30%.

Перемешивание биогумуса и засеянных фунгицидных, азотфиксирующих и фосфоролитических микроорганизмов производят механически таким образом, чтобы не повредить полипропиленовые пакеты. Затем засеянные пакеты помещают в термостатируемое помещение с комнатной температурой.

По истечении 10-14 дней проверяют титр посеянных микроорганизмов, который должен увеличиться на 2-3 порядка за счет совместного роста бактерий на биогумусе и достигать 6,5·10¹¹.

Дальнейшее хранение препаратов в неповрежденных пакетах в течение 3-х месяцев не снижало суммарного титра азотфиксирующих микроорганизмов препарата ниже 8·10¹⁰, что связано с оптимальным содержанием в биогумусе необходимых для антифунгицидных, азотфиксирующих и фосфоролитических микроорганизмов питательных веществ и стимуляцией микроорганизмами друг друга за счет синтеза веществ. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1Титр микроорганизмов Bacillus subtilis ИПМ-215, Agrobacterium radiobacter штамм 204 и Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 при использовании биогумуса по предлагаемому способу в процессе хранения
Компоненты предлагаемого препарата	0 месяцев хранения	1 месяц хранения	3 месяц хранения
Bacillus subtilis ИПМ-215	7,1·1010	4,3·1010	2,6·1010
Agrobacterium radiobacter штамм 204	5,4·1011	9,1·1010	9,1·1010
Bacillus megaterium var. Phosphaticum штамм 319	1,5·1011	3,8·1010	2,7·1010

Пример 2. Согласно способу получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют куриный помет с добавлением измельченной соломы.

Пример 3. Согласно способу получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют конский навоз.

Пример 4. Согласно способу получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют навоз телят на откорме с добавлением измельченной соломы.

Результаты определений количества бактерий Bacillus subtilis ИПМ-215, Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 и Agrobacterium radiobacter штамм 204 в биогумусе разного происхождения представлены в таблице 2.

Таблица 2Общий титр микроорганизмов Bacillus subtilis ИПМ-215, Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 и Agrobacterium radiobacter штамм 204 при использовании в биогумуса разного качества
№	Вариант	Титр культуры Bacillus subtilis ИПМ-215, Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319и Agrobacterium radiobacter штамм 204
1	вариант 1	2,6·1011
2	вариант 2	9,5·1010
3	вариант 3	8,6·1010
4	вариант 4	8,4·1010

Результаты лабораторных испытаний по примерам 1, 2, 3, 4 показали, что независимо от происхождения отходов животноводства биогумусом полученным на его основе обеспечивается высокий титр полезных микроорганизмов, необходимый для получения качественного комбинированного лечебно-удобрительного биопрепарата для растений.

Кроме того, следует отметить, что технология получение биогумуса - это простой процесс, а сырье (органические отходы сельского хозяйства) общедоступно. Одновременно с получением биогумуса решается и проблема защиты окружающей среды, что актуально особенно в аграрных регионах с развитым животноводством.

Результаты анализа химического состава биогумуса и перегноя, полученных из навоза крупного рогатого скота, представлены в таблице 3.

Таблица 3Химическая характеристика биогумуса и перегноя (%)
Наименование	Биогумус	Перегной
Кислотность среды	6,7	7,8
Органические вещества	44,9	23,6
Гуминовые кислоты	3,4	2,3
Фульвокислоты	2,2	0,6
Органический углерод	3,31	1,7
Азот	3,22	1,54
Фосфор	0,49	0,35
C:N	1,04	1,10
Электрическая проводимость, мера относительной солености почвы или количества растворимых солей	12,1	3,60

Как видно из таблицы, использование биогумуса позволяет не только обеспечить высокие показатели концентрации всех полезных микроорганизмов, входящих в состав препарата, но и использовать биогумус как высокоэффективный источник питательных веществ для роста растений (данные химического состава биогумуса приводятся в сравнении с составом перегноя).

Не следует забывать и о том, что использование биогумуса в качестве наполнителя для препарата, получаемого предлагаемым способом, не только обеспечивает растения полезными микроорганизмами, но и само по себе является источником питательных веществ за счет биогумуса. Следует отметить, что препараты на основе биогумуса при использовании для обработки семян растений практически не требуют прилипателя и позволяют равномерно распределить бактерии по поверхности семян, что в целом повышает биологическую эффективность предлагаемого препарата.

Таким образом, способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений не только позволяет получить высокий титр полезных (антифунгицидных, азотфиксирующих и фосфоролитических) микроорганизмов, за счет наличия в нем питательных веществ, а также этот эффект обеспечивается одновременным культивированием нескольких физиологических групп микроорганизмов, которые способны стимулировать рост и развития друг друга. Кроме того, предлагаемый препарат способен активизировать растения и их семена за счет наличия питательных и ускоряющих веществ самого биогумуса, защитить их от грибных заболеваний и обеспечивая тем самым расширение ассортимента биопрепаратов. В целом, использование предлагаемого способа поможет частично решить проблемы утилизации отходов животноводства за счет возможности размещение малотоннажных производств непосредственно в регионах.

Способ получения комбинированного удобрительного биопрепарата для растений, включающий получение биогумуса путем вермикомпостирования органических отходов с использованием дождевых червей и внесение в биогумус микроорганизмов, отличающийся тем, что в качестве органических отходов используют навоз сельскохозяйственных животных, предварительно нейтрализованный до рН 7-8, а в качестве дождевых червей используют гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции в количестве 10⁴ на 1 м², при этом вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев при температуре 16-32°С в естественных условиях, причем после отделения червей из биогумуса виброситом с размером пор 0,5-1,0 см биогумус подсушивают до влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, в которых автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят штамм Bacillus megaterium var. phosphcaticum 319 и штамм Agrobacterium radiobacter 204 при следующем соотношении компонентов, %:

Штамм Bacillus megaterium
var. phosphcaticum 319	20-40
Штамм Agrobacterium radiobacter 204	60-80