Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения биоудобрения

Изобретение относится к биотехнологии и сельскохозяйственной микробиологии.

Разработка способов получения новых биоудобрений путем переработки органического сырья ферментацией с добавлением различных добавок в исходную смесь 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 сложно-компонентной 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.

Известны 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. A01C 1/00, 2007), 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 исходной смеси 0,5% раствором KOH в объеме 1,5 л на 1 кг смеси при 20-22°C в течение 24 часов. В полученное первичное биоудобрение вводят пшеничные отруби в количестве 3 мас.% и перемешивают. Готовую для ферментации смесь подвергают биоконверсии в две стадии: первую стадию проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в течение 24 часов при температуре 55-60°C. При этом каждые 24 часа смесь продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 минут.

При получении известного биоудобрения не использовались такие добавки, как, 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.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в расширении ассортимента биоудобрений для сельскохозяйственного использования.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в получении нового биоудобрения, обогащенного калием фосфорнокислым 2-замещенным 3-водным и азотной кислотой, оказывающих эффективное воздействие на рост и развитие растений и расширяющих ассортимент биоудобрений для сельскохозяйственного использования.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе получения биоудобрения, включающем предварительное измельчение куриного помета и торфа, взятые в соотношении 50:50, до гранулометрического состава не более 10 мм с последующим их перемешиванием и проведением процесса биоконверсии в две стадии при повышенной температуре, причем в процессе биоконверсии смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 минут через каждые 24 часа, измельченную исходную смесь подвергают кислотному гидролизу водным раствором 0,15н азотной кислоты и 0,5% раствором калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного в количестве 1 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°C в течение 24 часов. Первую стадию биоконверсии проводят в температурном интервале 55-60°C в течение 24 часов, вторую - в температурном интервале 36-39°C в течение 96 часов.

Калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула K₂HPO₄×3H₂O - это кристаллы белого цвета, используется в производстве сегнето- и пъезоэлектриков, является качественным компонентом многих удобрений. Его применение влияет на морозоустойчивость некоторых продовольственных растений, увеличивает зимостойкость озимых культур.

Достоинством применения калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного в качестве стимулятора при получении биоудобрения является то, что он содержит два важнейших физиологических элемента.

Катион калия стимулирует нормальное течение процесса фотосинтеза, усиливая отток углеводов из пластинки листа в другие органы растения. 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, а также увеличивает содержание сахара в плодах и овощах, крахмала в зерновых и овощных культурах. Улучшается прочность, длина и тонина волокна у 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, с. 98).

Фосфор, входящий в состав калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного, образует фосфорнокислые эфиры сахаров и других соединений, играющих очень важную роль в процессах дыхания и фотосинтеза (окислительное и фотосинтетическое фосфорилирование, синтез белков и сложных углеводов и т.д.). Фосфор входит в состав нуклеопротеидов, аденозинфосфатов и других фосфатов, все они обладают пирофосфатными связями, имеющими большой запас свободной энергии гидролиза (Краткий справочник по физиологии растений. A.M. Гродзинский, Д.М. Гродзинский. Издательство «Наукова Думка». Киев, 1973, с. 491).

Недостаток фосфатов задерживает образование органических кислот из углеводов, что тормозит связывание поступающего через корни аммиачного азота. Фосфорное голодание растения приводит к слабому использованию им азота и других питательных элементов. Нормальное питание фосфором несколько ускоряет развитие культур, обусловливая их более раннее созревание, усиливаются холодостойкость и засухоустойчивость растений, а также сопротивляемость зерновых полеганию (Агрохимия и физиология питания растений. А.В. Петербургский, М., Россельхозиздат, 1981, с. 76).

Азотная кислота (HNO₃) - один из важнейших химических продуктов, бесцветная прозрачная жидкость с резким неприятным запахом. При нагревании или под действием света приобретает бурый оттенок. В промышленности ее применяют как сырье для производства удобрений: калийной селитры (KNO₃), натриевой селитры (NaNO₃), аммиачной селитры (NH₄NO₃), комплексных минеральных удобрений и др.

Азот, входящий в состав азотной кислоты - один из главных органогенов; входит в состав нуклеиновых кислот, аминокислот и, следовательно, является необходимой составной частью белков; кроме того, азот входит в состав индольных соединений (ростовых веществ), азотистых оснований - алкалоидов, многих витаминов и ферментов, хлорофилла и т.д. Усваивается растением в виде катиона NH₄ и аниона NO₃, а также в форме аминокислот и других органических соединений (Краткий справочник по физиологии растений. A.M. Гродзинский, Д.М. Гродзинский, Издательство «Наукова Думка». Киев, 1973, с. 490). Определенное значение имеют мягкие подкисляющие свойства азотной кислоты.

Оба выбранных стимулятора достаточно доступны, не дороги и в данных концентрациях не токсичны.

В ходе разработки нового способа получения биоудобрения сделан выбор стимуляторов и оптимальная их концентрация. Кроме того, изучение процесса биоферментации позволило выбрать не только оптимальную концентрацию заявленных стимуляторов, но и режим его проведения.

Варианты ведения процесса биоферментации оценивали путем сравнения исходных торфопометных смесей и конечных продуктов - биоудобрений, по нескольким показателям: наличию агрономически полезных аммонифицирующих микроорганизмов, по содержанию санитарно-показательной микрофлоры - энтеробактерий, также были проведены исследования по определению оксидоредуктазной активности (каталазная, дегидрогеназная), по наличию агрохимических показателей. Сравнивали три процесса биоферментации с введением в исходную торфопометную смесь трех видов концентраций азотной кислоты, обозначенных как процесс №1 (0,05н HNO₃), процесс №2 (0,1н HNO₃), процесс №3 (0,15н HNO₃). Концентрация K₂HPO₄×3H₂O во всех процессах соответствовала 0,5%. Заявленный интервал концентраций данных стимуляторов посчитали физиологичным, достаточным для осуществления стимулирующего эффекта.

Каталазная активность, разлагающая перекись водорода, в процессах №1 и №2 увеличивалась к концу процесса, в процессе №3 наблюдался спад активности, что свидетельствует о завершенности процесса биоферментации. Дегидрогеназная активность протекала с понижением уровня активности к концу процесса во всех трех вариантах (табл. 1).

В исходных пробах биоудобрений во всех вариантах 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 партиях удобрений. Также во всех трех процессах наблюдалась тенденция к уменьшению численности микроорганизмов, разрушающих минеральные формы азота - амилолитических. Количество лучистых грибков - актиномицетов, как и количество микроскопических грибов, которые так же, как и актиномицеты, разлагают сложные органические соединения, в конечном продукте всех процессов наблюдались в небольшом количестве.

Очень важной особенностью биоудобрения является минимальное количество или даже полное отсутствие условно патогенной микрофлоры. В конечном продукте процесса №3 наличие энтеробактерий меньше, чем в конечном продукте процессов №1 и №2, и значительно меньше в сравнении с исходными смесями. Это достигается за счет высокого температурного режима в течение биоконверсионного процесса, не смотря на довольно благоприятный для микроорганизмов этого рода уровень pH.

Что касается элементов питания в исходных пробах и в продуктах всех партий нового биоудобрения, то происходит их повышение в конечных продуктах, наибольшее повышение отмечено в биоудобрении процесса №3 (табл. 3).

Из трех разновидностей нового биоудобрения наилучшим было признано то, что получено с применением водного раствора 0,15н азотной кислоты и 0,5% раствором калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного. Выбор остановили на этой партии, так как в ней сформировались наиболее благоприятные свойства: pH на уровне 7,5, достаточно большие значения агрономически полезной микрофлоры, полное отсутствие санитарно-показательных микроорганизмов, высокое содержание NPK.

С целью формирования биоудобрения с достаточно высокой численностью агрономически полезной микрофлоры, наличием элементов питания в форме, доступной для растений и микрофлоры, а также имеющего благоприятную кислотность, первую стадию биоконверсии осуществляют при температуре 55-60°C в течение 24 часов, при этом достигается необходимая экологичность биоудобрения - отсутствие энтеробактерий и низкое содержание грибов, среди которых встречаются патогенны. На второй стадии биоконверсии, протекающей при температуре 36-39°C в течение 96 часов, активно развивается микрофлора, участвующая в формировании структуры почвы, образовании гумуса и его минерализации. Благодаря заявленному процессу биоконверсии постадийно формируется биоудобрение с выше перечисленными качественными показателями.

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 биоудобрений, полученных с применением процесса кислотного гидролиза при различных концентрациях неорганических стимуляторов; в таблице 2 - количество микрофлоры исходных смесей и конечных продуктов биоудобрений, полученных с применением процесса кислотного гидролиза при различных концентрациях неорганических стимуляторов; в таблице 3 - содержание элементов питания (%, на абс. сухое вещество) в исходных смесях и конечных продуктах биоудобрений, полученных с применением процесса кислотного гидролиза при различных концентрациях неорганических стимуляторов; в таблице 4 - сравнительная характеристика биоудобрений, полученных с применением процесса кислотного гидролиза при различных концентрациях неорганических стимуляторов; в таблице 5 показан результат практического применения нового биоудобрения - урожайность свеклы столовой сорта «Мулатка» под влиянием биоудобрений, полученных с применением процесса кислотного гидролиза при различных концентрациях неорганических стимуляторов.

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, контроль за температурой осуществляют термометром 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 кислотному гидролизу водным раствором 0,15н азотной кислоты и добавлением 0,5% раствора калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного в количестве 1 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°C в течение 24 часов. Смесь загружают в корпус 1 биореактора на барботажную сетку 2 и закрывают крышкой 3. Биореактор устанавливают на подставку 5 в термостат и термостатируют до температуры 55-60°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 55-60°C в течение 24 часов, вторую - при температурном интервале 36-39°C в течение 96 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 2 дм³, тщательно перемешивают и измельчают до частиц с гранулометрическим составом не более 10 мм.

Кислотный гидролиз с добавлением неорганического стимулятора торфопометной смеси проводят водным раствором 0,15н азотной кислоты и добавлением 0,5% раствора калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного объемом 1 л на 1 кг смеси в течение 24 часов при температуре 20-22°C с целью глубокого разрушения высокомолекулярных органических соединений. Благодаря приему кислотного гидролиза активируется ферментативная активность (табл.1) как ферментов оксидоредуктаз (каталазы и дегидрогеназы), так и гидролаз (протеазы и целлюлазы).

Смесь для проведения кислотного гидролиза готовят следующим образом. В 1 литре воды готовим 0,15н азотную кислоту, для чего берем мерную колбу объемом 1 литр. Рассчитываем: N=(m*c)/М N=(V*P*c)/M V=(N*M)/(P*c), где V - необходимый объем азотной кислоты; N - количество молей кислоты (0,15 моль); М - молярная масса азотной кислоты 63 г/моль; Р - плотность используемого раствора кислоты; C - концентрация используемого раствора кислоты, плотность 1,4 г/см3, концентрация 65% масс (в масс долях 0,65); V=0,15*63/(1,4*0,65)=10,38 мл кислоты. Наливаем в мерную колбу примерно 100 мл воды, переносим туда отмеренный объем кислоты и доливаем дистиллированной водой до отметки 1 литр. Приготовление 0,5% K₂HPO₄×3H₂O. Объемно-весовой процентный раствор: на технических весах берут навеску для 1% раствора 0,1 г на 100 мл, для 5%- 0,5 г на 1000 мл воды или 5 г на 1000 мл.

Далее перемешивают компоненты смеси и помещают в биореактор объемом 1,75 дм³, в котором проводят двухстадийную биоконверсию.

Первую стадию биоконверсии осуществляют при температуре 55-60°C в течение 24 часов, при этом достигается необходимая экологичность биоудобрения - отсутствие энтеробактерий и низкое содержание грибов, среди которых встречаются патогенны. На второй стадии биоконверсии, протекающей при температуре 36-39°C в течение 96 часов, активно развивается микрофлора, участвующая в формировании структуры почвы, образовании гумуса и его минерализации. Благодаря процессу биоконверсии постадийно формируется продукт с характерными качественными показателями:

- наличие достаточно высокой численности агрономически полезной микрофлоры (табл. 2);

- наличие элементов питания в форме, доступной для растений и микрофлоры (табл. 3);

- благоприятная кислотность (табл. 3).

Пример практического применения нового биоудобрения.

Полученное заявленным способом новое биоудобрение апробировано в 2016 году в качестве основного удобрения на посадках под свеклой столовой сорта «Мулатка» путем локального внесения в почву в равной дозировке из расчета 3 т/га при высадке рассады.

2016 год характеризовался благоприятными погодными условиями во время вегетационного периода, поэтому уровень урожайности был достаточно высоким. В табл.5 показана урожайность свеклы столовой при внесении нового биоудобрения по отношению к контролю: без использования удобрения (б/у) и с использованием биоудобрений с концентрацией азотной кислоты 0,05, 0,1н и 0,15н соответственно. Дозы биоудобрений во всех вариантах были одинаковыми - 3 т/га, что важно при скрининговых исследованиях.

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