Способ получения микробиологического удобрения на основе биогумуса

Способ получения микробиологического удобрения на основе биогумуса

Реферат

Изобретение относится к сельскохозяйственной биотехнологии, в частности к технологии приготовления биологических удобрений.

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.

Известен способ получения биогумуса. Гидролизный лигнин складируют в кучи, посыпают известью и поливают. Процесс осуществляют в течение 1,5-2,0 месяцев. Периодически поливают и перелопачивают. При необходимости добавляют известь дополнительно, доводят рН до значения 6,8-7,2. Подготовленный таким образом субстрат укладывают в ложа и запускают червей. После окончания процесса вермикомпостирования червей отделяют от полученного биогумуса и реализуют (пат. РФ №2094413, кл. C 05 F 11/00. 27.10.1997).

Однако использование в качестве сырья лигнина требует длительной подготовки субстрата, что связано с особенностями химического строения лигнина. Кроме того, лигнин имеет очень низкую кислотность, что требует больших количеств извести, а она в свою очередь в больших количествах токсична для червей. Кроме того, низкое содержание в биогумусе полезных микроорганизмов делает его непривлекательным для потребителя.

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, в том числе и способных гидролизу труднорастворимых для растений форм фосфора.

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 F11/08, 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 усвояемого для растений фосфора во многих агроландшафтах требует дополнительного ввода микроорганизмов, обладающих способностью превращать трудноусвояемые соединения фосфора в доступные формы, что не может обеспечить предлагаемый препарат.

Препарат, получаемый по прототипу, требует дополнительного ввода прилипателя (при его использовании для обработки семян), что требует дополнительных материальных и людских ресурсов, что не всегда экономически целесообразно. Кроме того, низкий титр препарата требует высоких доз внесения для борьбы с болезнями, что делает экономически не эффективным применение данного бактериального препарата.

Известные способы не позволяют эффективно получать микробиологическое удобрение с большим содержанием питательных для растений веществ и одновременно с высоким титром полезных микроорганизмов и обладающее способностью к переводу фосфатов в доступные для растений формы без применения перед обработкой семян дополнительно прилепателя.

Техническим решением задачи является расширение ассортимента бактериальных удобрений, снижение материальных затрат при производстве и повышение их биологической активности, а также увеличение сроков хранения препарата, улучшение агрохимических показателей почвы за счет питательных веществ, входящих в состав биогумус, наличия у препарата способности превращать трудноусвояемые соединения фосфора в доступные для растений формы и высокого титра полезных микроорганизмов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения микробиологического удобрения на основе биогумуса, включающем 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 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, вносят кукурузный экстракт в количестве 1,0-5,0% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum 319 и выдерживают до достижения титра 8·10¹⁰.

Заявленный способ получения микробиологического удобрения на основе биогумуса отличается от прототипа режимами изготовления биогумуса и физиологической группой используемых микроорганизмов и дополнительных вводом углеводов (кукурузный экстракт) в качестве источника питания и прилипателя для препарата при обработке семян.

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 микробиологического удобрения на основе биогумуса 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 с 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. Вермикомпостирования 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 не переработанного 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 фосфоролитических микроорганизмов. 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 фосфоролитических микроорганизмов. По мере необходимости биогумус из крафт-мешков расфасовывается по полипропиленовым пакетам в зависимости от объемов использования от 1 кг до 5 кг в пакет. Для обеспечения углеводного питания фосфоролитических микроорганизмов, а также исключения использования прилипателей при обработки семян в расфасованный биогумус вносится кукурузный экстракт из расчета 3% от массы биогумуса (оптимальная концентрация), то есть если масса пакета с биогумусом 5 кг, то мелассы добавляется 150 г. Если масса вносимой кукурузного экстракта будет менее 1%, то углеводного питания для развития фосфоролитических бактерий будет недостаточно, и необходимого титра культура микроорганизмов не достигнет. Если масса вносимой кукурузного экстракта будет более 5%, то переизбыток кукурузного экстракта приведет к дополнительным расходам на приготовления удобрения и снизит качество препарата.

После добавления кукурузного экстракта 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 фосфоролитических микроорганизмов, а значит, их нужного титра микроорганизмы 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 фосфоролитических микроорганизмов, в том числе и за счет карамелизации сахаров кукурузного экстракта, 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 Bacillus megaterium var. phosphaticum 319 оживляют с помощью питательного раствора. Производят засев оживленной культуры в колбы на 750 мл по 200-250 мл питательной среды, представляющей собой раствор кукурузного экстракта, мелассы, сульфата аммония и мела. Затем полученный маточный раствор засевают в бутыли объемом 5 литров, содержащих по 2,0-2,5 литра питательной среды того же состава.

Полученный таким образом рабочий раствор культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 засевают стерильно в биогумус из расчета конечного титра микроорганизмов 4·10⁷. Перемешивание производят механически таким образом, чтобы не повредить полипропиленовые пакеты. Затем засеянные пакеты помещают в термостатируемое помещение с комнатной температурой.

По истечении 10-14 дней проверяю титр посеянных микроорганизмов, который должен увеличиться на 1-2 порядка за счет роста фосфоролитических бактерий на биогумусе и достигать 8·10¹⁰.

Дальнейшее хранение препаратов в неповрежденных пакетах в течение 3-х месяцев не снижало титра препарата на основе Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 ниже 2·10¹⁰, что связано с оптимальным содержанием в биогумусе необходимых для микроорганизмов питательных веществ и дополнительного ввода углеводных компонентов питания, в качестве которого используется кукурузный экстракт. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1Изменение титра микроорганизмов Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 в процессе хранения по предлагаемому способу и без кукурузного экстракта
Варианты	0 месяцев хранения	1 месяц хранения	3 месяц хранения
по предлагаемому способу	8,1·1010	6,5·1010	2,8·1010
без ввода кукурузного экстракта	3,7·1010	8,2·109	1,4·109

Пример 2. Согласно способу получения микробиологического удобрения на основе биогумуса по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют куриный помет с добавлением измельченной соломы.

Пример 3. Согласно способу получения микробиологического удобрения на основе биогумуса по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют конский навоз.

Пример 4. Согласно способу получения микробиологического удобрения на основе биогумуса по примеру 1, в качестве сырья для культивирования червей используют навоз телят на откорме с добавлением измельченной соломы.

Результаты определений количества бактерий Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 в биогумусе разного происхождения представлены в таблице 2.

Результаты лабораторных испытаний по примерам 1, 2, 3, 4 показали, что независимо от происхождения отходов животноводства биогумусом полученным на его основе обеспечивается высокий титр Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319, необходимый для получения качественного бактериального удобрения для перевода сложных фосфорорганических соединений и трудноусвояемых минеральных фосфатов в доступную для растений форму.

Таблица 2Титр микроорганизма Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 при использовании в биогумуса разного качества
№	Вариант	Титр культуры Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319
1	вариант 1	9,1×1011
2	вариант 2	7,2×1010
3	вариант 3	6,4×1010
4	вариант 4	2,9×1011

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.

Как видно из таблицы, использование биогумуса позволяет не только обеспечить высокие показатели концентрации фосфоролитических бактерий, 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 фосфоролитических бактерий не только обеспечивает растения полезными микроорганизмами, но и само по себе является источником питательных веществ.

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
С:N	1,04	1,10
Электрическая проводимость мера относительной солености почвы или количества растворимых солей	12,1	3,60

Таким образом, способ приготовления бактериального удобрения на основе биогумуса не только позволяет получить высокий титр Bacillus megaterium var. phosphaticum штамм 319 при использовании предлагаемого способа за счет наличия в биогумусе питательных веществ, но и также одновременно активизировать растения с использованием питательных и стимулирующих веществ самого биогумуса. Кроме того, реализация прелагаемого способа расширит ассортимент биопрепаратов за счет возможности размещение малотоннажных производств непосредственно в регионах и частично решить проблемы утилизации отходов животноводства.

Способ получения микробиологического удобрения на основе биогумуса, 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, вносят кукурузный экстракт в количестве 1,0-5,0% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин 0,8-1,2 атм, вносят штамм Bacillus megaterium var. phosphaticum 319 и выдерживают до достижения титра 8·10¹⁰.