Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОУДОБРЕНИЯ

Изобретение относится к биотехнологии и к сельскохозяйственной микробиологии.

Разработка получения новых биоудобрений путем переработки органического сырья с добавлением различных добавок в исходную смесь, дальнейшей ферментацией (биоконверсионный процесс) сводится к поиску усовершенствованных, экономически выгодных и экологически приемлемых технологий получения биоудобрений.

Известен способ биоконверсии органических отходов в кормовую добавку и удобрение (Патент РФ №2151133, Кл. C05F 3/00, 1998), включающий измельчение органических отходов и торфа с последующим их перемешиванием, введением в смесь сложнокомпонентной микроэлементной добавки и проведение процесса биоконверсии в две стадии при повышенной температуре.

Недостатком данного способа является большое количество микроэлементов, входящих в комплексную микроэлементную добавку за счет сочетания очень большого количества подобранных солей, которые предварительно взвешиваются по отдельности, что в целом приводит к удорожанию продукта биоконверсии.

Известен также способ получения кормовой добавки биоконверсией органических отходов (Патент РФ №2153262, Кл. A23K 1/00, 1999), включающий измельчение органических отходов и торфа с последующим их перемешиванием, введение в смесь биошрота от производства амилоризина и проведение процесса биоконверсии в две стадии при повышенной температуре.

Недостаток данного способа заключается в том, что его реализация сопряжена с производством амилоризина, что приводит к удорожанию конечного продукта. Биошрот от производства амилоризина представляет собой твердые отходы поверхностного культивирования плесневого гриба Aspergillus oryzae на питательной среде, включающей непостоянные по составу компоненты - пшеничные отруби, солодовые ростки и древесные опилки, что отражается на качестве конечного продукта. При производстве плесневого гриба Aspergillus oryzae не исключено накопление токсинов в питательной среде, используемой в качестве биошрота. Кроме того, как и в описанном выше способе биоконверсии органических отходов в кормовую добавку и удобрение (Патент РФ №2151133), большой диапазон температур, а также временные интервалы проведения каждой стадии процесса могут привести к изменению условий развития микроорганизмов, и, следовательно, к изменению состава готового продукта.

Известно много способов получения биологически активных средств, предназначенных для роста и развития растений. Среди них способ получения биологически активного средства (Патент РФ №2264460, Кл. C12P 1/00, C05F 3/00, 2003), в котором в исходную смесь, состоящую из органических отходов и торфа, дополнительно вводят фосфорнокислый калий в количестве 0,01-0,5 мас. % и проводят процесс биоконверсии.

Известны также способы оптимизации роста и развития сельскохозяйственных культур за счет использования различных стимуляторов не только при получении различных биосредств биоконверсией органического сырья, но и при их непосредственном применении в течение вегетации. В любом случае выбор эффективного стимулятора весьма важен для использования в растениеводстве.

Известен способ использования калия-натрия виннокислого в качестве стимулятора роста растений (Патент РФ №2399181, Кл.), включающий предпосевную обработку семян растений водным раствором калия-натрия виннокислого в концентрации 0,01-0,05% или использование этого соединения в концентрации 0,1-0,5% на вегетирующих растениях.

Наиболее близким к заявленному является способ получения биоудобрения (Патент РФ №2539781, Кл. C05F 3/00, C05F 11/02, C05F 15/00, C05F 17/00, C05G 3/00, 2013, прототип), включающий измельчение куриного помета и торфа, взятых в соотношении 50:50 до гранулометрического состава не более 10 мм, перемешивание и ощелачивание 0,5% раствором KOH в объеме 1,5 л на 1 кг смеси при 20-22°C в течение 24 часов. Вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас.% и перемешивают. Проводят первую стадию биоконверсии смеси при температуре 36-39°C в течение 96 часов. Затем проводят вторую стадию биоконверсии при температуре 55-60°C в течение 24 часов. При этом через каждые 24 часа смесь продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 минут.

Недостатком полученного биоудобрения является то, что при его получении не использовались добавки, например микроэлементы, которые могли бы привести к улучшению свойств конечного продукта - биоудобрения, и при использовании которого оказывать более эффективное влияние на рост и развитие растений. Кроме того, к важным элементам регулирования процесса биоконверсии относят использование органических носителей, способных осуществлять дополнительное влияние на интенсивность биохимических преобразований. Пшеничные отруби, используемые в этом процессе, не полностью удовлетворяют данному требованию.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в получении в ходе биоконверсионного процесса нового более эффективного биоудобрения путем введения стимуляторов для улучшения роста и развития растений.

Технический результат изобретения - получение нового биоудобрения, обогащенного калием-натрием виннокислым и лимонной кислотой, оказывающего эффективное воздействие на рост и развитие растений.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения биоудобрения, включающем предварительное измельчение куриного помета и торфа, взятые в соотношении компонентов 50:50 до гранулометрического состава не более 10 мм с последующим их перемешиванием и ощелачиванием 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°C в течение 24 часов, введение в полученное первичное биоудобрение пшеничных отрубей в количестве 3 мас.% смеси с последующим перемешиванием компонентов и проведение процесса биоконверсии в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию биоконверсии проводят в температурном интервале 36-39°C в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°C в течение 24 часов, причем, в процессе биоконверсии смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа, одновременно с пшеничными отрубями в первичное биоудобрение вводят калий-натрий виннокислый в количестве 0,1 мас.% смеси и лимонную кислоту также в количестве 0,1 мас.% смеси.

Калий-натрий виннокислый, химическая формула: KNa[C₄H₄O₆]4Н₂О - это бесцветные кристаллы белого цвета. Применяется в качестве компонента для гальванических ванн, при серебрении зеркал, в радиотехнике, в медицине, в аналитической химии.

Достоинством применения калия-натрия виннокислого в качестве стимулятора при получении биоудобрения является то, что он содержит два важнейших физиологических элемента. Роль катиона калия весьма многообразна. Он стимулирует нормальное течение процесса фотосинтеза, усиливая отток углеводов из пластинки листа в другие органы. Не входя в состав ферментов, он активирует работу многих из них (рибофлавина, тиамина, киназы пировиноградной кислоты, энзимов, с участием которых синтезируются некоторые пептидные связи, что повышает биосинтез белков из аминокислот, и другие процессы). Во всех этих реакциях калий служит переносчиком электронов. Он увеличивает гидрофильность (оводненность) коллоидов протоплазмы, что поддерживает организм в молодом, деятельном состоянии. При достаточном обеспечении калием растения лучше удерживают воду, легче переносят кратковременные засухи. Более интенсивное накопление углеводов в растениях при хорошем калийном питании повышает качество урожая (увеличивает содержание сахара в плодах и овощах, крахмала в картофеле, обеспечивает тонину и прочность волокна у льна и других прядильных растений). Одновременно с улучшением качества урожая усиливается стойкость культур к легким заморозкам. Это происходит вследствие повышения осмотического давления клеточного сока, что предопределяет понижение температуры его замерзания («Агрохимия и физиология питания растений», А.В. Петербургский, М., Россельхозиздат, 1981).

Натрий, входящий в состав калия-натрия виннокислого, оказывает большое влияние на транспорт веществ через мембраны, входит в так называемый натрий-калиевый насос (Na+/K+). Натрий регулирует транспорт углеводов в растении. Хорошая обеспеченность растений натрием, как и в случае с калием, повышает их зимостойкость. При его недостатке замедляется образование хлорофилла («Общая биология», Болгова И.В., Шапошникова И.Α., Фандо Р.Α., №5, 2008).

Лимонная кислота (C₆H₈O₇) представляет собой кристаллическое вещество, имеющее матовый белый цвет. Лимонная кислота очень полезна для пищевой промышленности как незаменимый подкислитель, она обладает хорошей растворимостью, низким уровнем токсичности, безопасна для окружающей среды, хорошо сочетается со многими химическими веществами. Она является важнейшим звеном в процессе клеточного дыхания, так как обладает антиоксидантными и бактерицидными свойствами, а также принимает участие в работе цикла Кребса. Благодаря этому лимонная кислота в обменных реакциях выступает в роли составной части в серии составляющих, которые принимают участие в окислении белков, жиров и углеводов, перерабатывая их в углекислый газ и воду, то есть практически во всех обменных реакциях организма, играя в них роль «первой скрипки» (Граник В.Г. Основы медицинской химии, М.: «Вузовская наука», 2001. - 384 с.). Определенное значение также имеют мягкие подкисляющие свойства лимонной кислоты. Оба выбранных стимулятора достаточно доступны, дешевы, нетоксичны.

В ходе разработки нового способа получения биоудобрения после процесса ощелачивания одновременно с введением пшеничных отрубей добавляют стимуляторы - калий-натрий виннокислый и лимонная кислота - в концентрациях 0,02; 0,1 и 0,5% на 1 кг исходной смеси каждый. Заявленный интервал концентраций данных стимуляторов посчитали физиологичным, достаточным для осуществления стимулирующего эффекта. Дальнейшее изучение процесса позволило выбрать оптимальную концентрацию заявленных стимуляторов.

Варианты ведения процесса оценивали путем сравнения исходных торфопометных смесей и конечных продуктов по нескольким показателям: наличию агрономически полезных аммонифицирующих микроорганизмов, по содержанию санитарно-показательной микрофлоры - энтеробактерий, а также по показателям, отражающим общую направленность процессов распада и синтеза различных соединений, - по окислительно-восстановительному коэффициенту (ОВК), представляющему собой отношение активности ферментов каталазы и дегидрогеназы; по наличию агрохимических показателей, по содержанию фульвокислот и гуминовых кислот, углероду. Сравнивали процессы с введением трех видов концентраций и прототип (Патент РФ №2539781) - так называемый базовый процесс.

Каталазная активность, разлагающая перекись водорода, во всех вариантах увеличивалась к концу процесса, а дегидрогеназная активность - уменьшалась (исключением является базовый процесс) (табл. 1). ОВК, отвечающий за баланс окислительно-восстановительных реакций, увеличивается везде, причем у варианта с концентрацией стимуляторов 0,1% он наиболее высокий (близкий к единице), что свидетельствует о стабилизации процесса. В этом же процессе конечный продукт приобретал самое низкое значение pH.

В исходных пробах всех партий биоудобрения наблюдалась достаточно высокая численность аммонифицирующей микрофлоры (табл. 2), которая отражает наличие процессов разрушения высокомолекулярных азотсодержащих соединений. К концу процесса их количество несколько уменьшилось во всех видах удобрения (включая базовый), кроме варианта с концентрацией стимуляторов 0,1% - здесь наблюдался небольшой прирост микроорганизмов этой группы. Во всех партиях удобрения наблюдалась тенденция к уменьшению численности микроорганизмов, разрушающих минеральные формы азота - амилолитических. Количество лучистых грибков - актиномицетов в конечном продукте всех вариантов наблюдалось в небольшом количестве, а количество микроскопических грибов, которые, как и актиномицеты разлагают сложные органические соединения, в некоторых случаях к концу опыта немного увеличивалось (базовый процесс), но в вариантах с добавлением стимуляторов - уменьшалось, причем в отдельных вариантах в 2 раза.

Очень важной особенностью биоудобрения является минимальное количество или даже полное отсутствие условно патогенной микрофлоры. В конечных вариантах всех партий биоудобрения санитарно-показательная микрофлора (энтеробактерии) полностью отсутствовали по сравнению с исходными вариантами. Это достигается за счет высокого температурного режима в течение биоконверсионного процесса, несмотря на довольно благоприятный для микроорганизмов этого рода pH.

Что касается содержания элементов питания в исходных пробах и в продуктах всех партий нового биоудобрения, то можно отметить их повышение в конечных продуктах (табл. 3). Особо следует отметить накопление массовой доли общего калия в конечном продукте с концентрацией стимуляторов 0,1%.

В таблице 4 приведены результаты, характеризующие полученное биоудобрение по содержанию углерода и по фракционному составу гуминовых кислот. Здесь следует отметить то, что при введении в смесь стимуляторов, в конечном продукте отмечается небольшое снижение содержания углерода (по сравнению с базовым процессом). Максимальное количество бурых гуминовых кислот, растворимых в щелочи, было обнаружено в варианте со средней концентрацией стимуляторов 0,1%. В этом же конечном продукте наблюдалось самое низкое содержание фульвокислот. Большое содержание гуминовых кислот - свидетельство более активного биосинтеза в этом процессе и свидетельство ранней стабилизации конечного продукта.

Из всех разновидностей нового биоудобрения наилучшей была признана та, что была получена с применением калия-натрия виннокислого и лимонной кислоты, добавляемых в исходную смесь в концентрациях 0,1%. Выбор остановили на этой партии, так как в ней сформировались наиболее благоприятные свойства: рН на уровне 8,3; высокий показатель ОВК=0,76; достаточно большие значения агрономически полезной микрофлоры, полное отсутствие санитарно-показательных микроорганизмов, высокое содержание NPK, повышенное содержание гуминовых кислот.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема, поясняющая способ получения биоудобрения; на фиг. 2 - биореактор для осуществления заявленного способа получения нового биоудобрения. В таблице 1 представлена ферментативная активность исходных смесей и конечных продуктов удобрений; в таблице 2 - микрофлора исходных смесей и конечных продуктов удобрений; в таблице 3 - содержание элементов питания, углерода и гумусовых кислот (%) в исходных смесях и в удобрениях; в таблице 4 - сравнительная характеристика биоудобрений, получаемых по базовому процессу и при использовании новых стимуляторов в концентрации 0,1%; в таблице 5 показан результат практического применения нового биоудобрения - урожайность картофеля под влиянием биоудобрений.

Заявленный способ получения биоудобрения осуществляют в биореакторе, который состоит из корпуса 1, внутри которого размещена барботажная сетка 2, закрытого сверху крышкой 3. Через крышку 3 проходит приспособление 4 для вытягивания барботажной решетки 4. Биореактор устанавливают на подставку 5 в термостат, а контроль за температурой осуществляют по термометру 6. Для продувки смеси воздухом установлены барботажные трубки 7 - продольная аэрация, 8 - поперечная аэрация.

Готовят смесь из куриного помета и торфа, взятых в соотношении 50:50. Исходное сырье измельчают до гранулометрического состава не более 10 мм и тщательно перемешивают до получения практически монодисперсной системы. Торфопометную смесь подвергают ощелачиванию 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°C в течение 24 часов. Получают первичное биоудобрение, в которое добавляют пшеничные отруби в количестве 3 мас.%, калий-натрий виннокислый в количестве 0,1 мас. % смеси и лимонную кислоту в количестве 0,1 мас.% смеси (первичного биоудобрения). Перемешивают компоненты смеси и загружают в корпус 1 биореактора на барботажную сетку 2 и закрывают крышкой 3. Биореактор устанавливают на подставку 5 в термостат и термостатируют до температуры 36-39°C (контроль осуществляют термометром 6), продувают воздухом через барботажные трубки 7, 8. После этого начинается двухстадийный биоконверсионный процесс: первую стадию биоконверсии проводят в температурном интервале 36-39°C в течение 96 часов, вторую - при температурном интервале 55-60°C в течение 24 часов, при этом через каждые 24 часа смесь продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 минут.

Полученный заявленным способом продукт - новое биоудобрение с повышенным содержанием физиологически активных веществ, расширяющее ассортимент удобрений, полученных путем биоконверсии органических отходов.

Пример конкретного выполнения способа получения нового биоудобрения.

Получение биоудобрения начинается с подготовки исходной смеси органического сырья, состоящего из помета куриного и торфа, взятых в соотношении 50:50, общей массой 1 кг. Полученную смесь помещают в стеклянную емкость объемом 2 дм³, тщательно перемешивают и измельчают до частиц с гранулометрическим составом не более 10 мм.

Обработку (ощелачивание) торфопометной смеси проводят 0,5%-ной щелочью KOH объемом 1,5 л в течение 24 часов при температуре 20-22° с целью глубокого разрушения высокомолекулярных органических соединений. Благодаря приему ощелачивания активизируется ферментативная активность (табл. 1) как ферментов-оксидоредуктаз (каталазы и дегидрогеназы), так и гидролаз (протеазы и целлюлазы).

Далее в полученное первичное биоудобрение с целью снижения влажности и установления благоприятного уровня pH, позитивно влияющих на развитие микрофлоры, добавляют пшеничные отруби (отходы мукомольного производства) в количестве 3% от массы исходной торфопометной смеси (30 г). Одновременно в первичное удобрение добавляют калий-натрий виннокислый и лимонную кислоту в количестве 0,1% каждого от массы исходной торфопометной смеси (1 г), перемешивают компоненты смеси, после чего помещают в биореактор объемом 1,75 дм³ и проводят двухстадийную биоконверсию.

Первую стадию биоконверсии осуществляют при температуре 36-39°C в течение 96 ч, при которой активно развивалась микрофлора, в том числе и перешедшая в споровое состояние при щелочном гидролизе. На второй стадии биоконверсии, протекающей при температуре 55-60°C в течение 24 ч, достигается необходимая экологичность биоудобрения (отсутствие энтеробактерий и низкое содержание грибов, среди которых встречаются патогены), чего было невозможно достигнуть на первой стадии, вследствие благоприятной для санитарно-показательной микрофлоры и микроорганизмов порчи температуры 36-39°C. Благодаря процессу биоконверсии постадийно формируется продукт с характерными качественными показателями, присущими биоудобрениям:

- наличие достаточно высокой численности агрономически полезной микрофлоры;

- наличие элементов питания в форме, доступной для растений и микрофлоры;

- присутствие веществ с фитогормональным действием, гумусовые кислоты;

- благоприятная кислотность (табл. 2).

Пример практического применения нового биоудобрения.

Полученное заявленным способом новое биоудобрение апробировано в 2014 году в качестве основного удобрения на посадках картофеля путем локального внесения. 2014 год характеризовался сильной засухой во время вегетационного периода, поэтому уровень урожайности был очень низким. Однако в таблице 5 показана более высокая урожайность картофеля при использовании нового биоудобрения по отношению к контролю: без использования удобрений (б/у) и с использованием удобрения-прототипа, полученного базовым процессом (Патент РФ №2539781). Дозы биоудобрений были идентичными - 4 т/га, что важно при скрининговых исследованиях.

Использование полученного заявленным способом нового биоудобрения способствовало улучшению качества клубней картофеля по крахмалистости: относительно варианта б/у - на 15%, варианта с базовым биоудобрением - на 6%.

Заявленный способ позволяет получить новое эффективное биоудобрение, обогащенное стимуляторами роста растений. Кроме того, разработанный способ является технологичным, что позволяет провести масштабирование процесса и осуществить его в промышленных условиях.