Исследование влияния биотехнологических методов переработки органических отходов при получении новых биоорганических удобрений для сельскохозяйственных культур

Введение. В всвязи со вступлением в силу Федерального закона от 14 июля 2022 г. N 248-ФЗ "О побочных продуктах животноводства и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" назревает острая необходимость переработки отходов животноводства и птицеводства. Следует отметить, что в России ежегодный выход органических отходов составляет 148,5 млн т сухого вещества, из которых 104 млн т приходится на навоз сельскохозяйственных животных и помет птицы, 42 млн т -органические фракции твердых бытовых отходов и 2,5 млн т - осадки сточных вод [1, 2]. Органические отходы содержат большое колличесство питательных веществ, которые востребованы при производстве органических удобрений. Известно, что лишь малая часть помета птицы 16% используются в качестве удобрений в сельскохозяйственном производстве. Биотехнологическая перерабтка навоза и помета предусматривает использование микробиологических процессов. [3, 4]. Способность микроорганизмов и их ферментов разлагать сложные органические вещества, трансформировать природные и антропогенные полимеры лежит в основе экобиотехнологий получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов. [5, 6, 7]. Одним из важных составляющих органических отходов животноводства являются гуминовые кислоты [8, 9]. В состав гуминовых кислот входит такое вещество как гу-маты. Биоудобрения на основе органических отходов играют важную роль в современном сельском хозяйстве, предлагая устойчивые и экологически безопасные решения для повышения плодородия почв и получения высокого и качественного урожая [10]. Растущий спрос на экологически чмстые продукты, как в развитых, так и в развивающихся странах, из-за возможных преимуществ для здоровья, стимулирует расширение рынка биоудобрений [11].

Цель исследований. Целью исследований является исследование влияния биотехнологических методов переработки органических отходов на качество новых биоорганических удобрений и их влияние на сельскохозяйственные культуры.

Условия, материалы и методы Экспериментальные исследования проводились в Центре коллективного пользования «Орловский региональный центр сельскохозяйственной биотехнологии» Орловского государственного аграрного университета им. Н. В. Парахина. При испытаниях использовался куриный помет с влажностью 60-65%, содержанием гуминовых кислот 1,3-1,4% масс. на сухое вещество.

При переработке куриного помета чаще всего применется щелочной гидролиз, необходимы для увеличенния содержания гуминовых кислот в конечном продукте. Поэтому нами проводилась оптимизация параметров проведения гидролиза в технологии биоконверсии органических отходов птицеводства для получения биоорганического удобрения. При испытаниях использовался куриный помет с влажностью 60-65%, содержанием гуминовых кислот 1,3-1,4% масс. на сухое вещество.

Результаты исследований обрабатывали методами математической статистики.

Результаты и обсуждение. Куриный помет обрабатывался ультразвуком 20 кГц в течение 90 секунд для деструкции макроструктур навозных фракций, что обуславливает большую эффективность выхода гуминовых кислот, далее помет с влажностью 65% масс. подавали в гомогенизатор, где разбавлялся водой до влажности 87% масс., затем эта смесь в гидролизер, где разбавлялась раствором гидроксида калия или гидроксида натрия до рН среды 6,5- 8,5 и за счет внешнего обогрева теплофикационной водой поддерживалась температура в интервале 40°C. В гидролизере проходил процесс разложения высокомолекулярных соединений. Затем полученная смесь направлялась в ферментаторы.

Технологическая схема производства биоор-ганического удобрения из птичьего помета представлена на рисунке 1.

В ферментеры вносили инокулюм: бак. суспензия мезофильных аэробных и факультативно -анаэробных микроорганизмов с мутностью 0,5 по McFarland (1,5х10-8 КОЕ/мл). Объем инокулята = 0,5% от объема питательной среды (w/w). Посевная доза составила 2,25х10-9 КОЕ — сухая биомасса. КОЕ в среде на старте: 7,5х10-4 = 75 тысяч КОЕ/л (или клеток/л) [11]. Температура в ферментаторах поддерживалась в интервале 40°C. Биогаз выводился через гидрозатвор.

Порционно выводимая из ферментатора взвесь разделялась цетрифугированием на твердую фазу - 47% масс. влажности и жидкую фракцию - охлаждалось до 25°C и фасовались. Продолжительность процесса биоконверсии (стадии гидролиза и анаэробной ферментации) составляет 8 дней.

Проводили изучение влияния параметров щелочного гидролиза, в частности рН среды. Рассматривали следующие варианты: рН=6,5-7,5 и 8,5 (табл. 1).

Рис. 1. - Технологическая схема производства биоорганического удобрения из птичьего помета.

Таблица 1 - Влияни рН среды при проведении гидролиза на выход гуминовых веществ.

Варианты	Время предоб-рабоки ультра-звуко, сек	Параиетры проведения гомогенизации, (t °C, влаж-ность% масс.)	Параметры проведения гидролиза, (рН, t °C)	Внесение анаэробных микроорганизмов	Параметры ферментации, (t °C).	Продолжи-тель-ность процесса, суток.	Содержание гуминовых кислот в жидкой и твердой фракции, % масс
Контроль	90	36-38°C 88-89% масс	Без проведения гидролиза	Внесение инокулята	37-38°C	8	5,9% масс 1,0 % масс
Вариант 1	90	37-40°С 86-88% масс.	рН среды 6,5 t -37-40°C.	Внесение инокулята	37-40°C.	8	6,4% масс 1,1 % масс.
Вариант 2	90	37-40°С 86-88% масс.	рН среды 7,5 t -37-40°C.	Внесение инокулята	37-40°C.	8	7,6% масс 2,3 % масс.
Вариант 3	90	37-40°С 86-88% масс.	рН среды 8,5 t -37-40°C.	Внесение инокулята	37-40°C.	8	8,9% масс 2,8 % масс.

По табличным данным видно, что изменения рН среды при проведении гидролиза в технологии биоконверсии птичьего помета сильно сказвается на выходе гуминовых веществ, как в жидком био-органическом удобрении, так и в твердом осадке. Наибольший выход гуминовых веществ получился при рН среды равном 8,5 (8,9% масс 2,8 % масс.), наименьший при рН среды равном 6,5 (6,4% масс 1,1 % масс), а рН 7,5 показало результат 6,4% масс 1,1% масс в жидкой и твердой фракциях соответственно (Рис. 2).

Таким образом, показано, что наиболее высокая результативность процесса определена при рН среды 8,5.

А) твердая

Б) жидкая

Рис. 2. - Полученные биоорганические удобрения: твердая и жидкая фракции.

Исследование влияния полученных жидких биоудобрений проводили на семенах пшеницы сорта Московская 40.

Обработку семян пшеницы проводили в течении 2-х часов.

Варианты обработки:

• -    жидкая фракция вариант 1 в концентрациии 10^-2% ,

• - жидкая фракция вариант 1 в концентрации

10-4%,

• - жидкая фракция вариант 2 в концентрации

10-2 % ,

• - жидкая фракция вариант 2 в концентрации

10-4%,

• -    жидкая фракция вариант 3 в концентрации 10^-2% ,

• -    жидкая фракция вариант 3 в концентрации 10^-4%,

• - контроль жидкая фракция а без проведения гидролиза

• -    контроль (вода)

Для каждого варианта использовали по 100 семян в трех повторностях.

Проращивание проводилось в растильнях на подстилке из фильтровальной бумаги. Ростовые показатели измерялись в течении 10-и суток.

На третьи сутки эксперимента определяли вхожесть семян, а на седьмые сутки энергию прорастания (Рис. 3)

Контроль (без Контроль (без Вариант 1, Вариант 1, Вариант 2, Вариант 2, Вариант 3, Вариант 3, обработки, проведения    0,01%     0,0001%     0,01%     0,0001%     0,01%     0,0001% вода)     гидролиза)

Всхожесть    Энергия прорастания

Рис. 3. - Влияние жидкого биорганческого удобрения на всхожесть семян пшеницы

Показано, что биоорганическое удобрение, полученное по технологии биоконверсии органи- ческих отходов с проведением щелочного гидролиза при рН среды, равном 8,5 в концентрации

10-4% повышает всхожесть семян пшеницы на 30 % и энергию прорастания на 11% за счет высокого содержания гуминовых кислот. Раствор в кон-цетрации 10-2% повышает на 28 % всхожесть и 10 % энергию прорастания (вариант 3). Применение биорганического удобрения вариант 1, также показало нилучшие варианты с использованием концентрации 10-4%, превышающие контроль на 12, и 11 % соответственно.

Таким образом, повышение всхожести и энергии прорастания выявлено в вариантах с при-мененем биоорганического удобрения, полученного по технологиии с проведением гидролиза при рН среды равном 8,5 (вариант 3 10-4%).

Таблица 2 – Влияние жидкого биоорганического удобрения на ростовые показатели проростков пшеницы (10-е сутки)

Образец	Длина проростка, см.	Масса проростка, г.	Кол-во корней, шт.	Длина корней, см.	Масса корней, г.
Контроль (без внесения	7,1	0,0194	1	0,7	0,0138
микроорганизмов)			1	2,4
			1	6,6
			1	9,6
Контроль (без внесения	9,3	0,0278	1 1 1	1,5 6,2 8,3	0,0234
микроорганизмов)
Вариант 1, 10-2%	12,5	0,0625	1	11,2	0,0243
			1	6,8
			1	58
	9,9	0,0411	1	4,3	0,0231
Вариант 1, 10-4%			1 1	1,9 4,1
			1	3,8
Вариант 2, 10-2%	11,8	0,0574	1	11,8	0,0202
			1	11,4
			1	8,7
Вариант 2, 10-4%			1	10,1
	9,8	0,0392	1	2,6	0,0342
			1	5,7
			1	6,9
			1	7,9
Вариант 3, 10-2%	13,5	0,0823	1	14,9	0,0411
			1	14,1
			1	10,9
Вариант 3, 10-4%	16,4	0,0935	1	12,2	0,0367
			1	9,8
			1	11,9

На 10 сутки эксперимента выявлено, что растения (вариант 3,) обработанные биоудобрением концентрацией 10-4% показали максимальную длину проростков и она выше контрольной на 23,1%, а именно 7,1/16,4. Максимальную массу проростка также показал вариант 3, обработанный 10-4% раствором удобрения, она почти в 5 раз превосходит контроль. Наибольшая длина корней наблюдается у варианта 3, обработанного 10-2% раствором биоудобрения, что в среднем больше контроля на 277%. По массе корней лидирует 3 вариант, обработанный 10-2% раствором, его показатели на 298% больше, чем у контроля (Табл. 2).

Выводы.

• 1.    Разработана технологическая схема получения биоорганического удобрения с проведением щелочного гидролиза.

• 2.    Установлено, что наибольший выход гуминовых веществ при производстве биоорганическо-го удобрения с проведения щелочного гидролиза при рН среды 8,5. Выход составляет 8,9%

• 3.    Установлено, что биоорганическое удобрение в концентрации 10^-4%, полученное в техоло-гии биоконверсии с проведением щелочного гидролиза при рН среды 8,5, повышает лабораторную всхожесть и энергию прорастания в сравнении с контролем на 30 % и 11 % соответственно.

• 4.    Показано положительное влияние жидкого биорганческого удобрения полученного в техоло-гии биоконверсии с проведением щелочного гидролиза при рН среды 8,5 на рост и развитие проростков пшеницы. Выявлено, что наилучшие ростовые показатели проявляют проростки пшеницы под влиянием биоорганического удобрения в концентрациях 10^-2 % и 10^-4% на 14 и 23% соответственно, причем обработка концентрацией 10^-2% наибольшее влияние оказывает на развитие корневой системы проростка, а обработка концентрацией 10^-4% на развитие именно проростка.

масс. % на сухое вещество жидкой фракции и 2,8% масс. % на сухое вещество твердой фракции.

Биология в сельском хозяйстве №3 (48), 2025