Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА

Изобретение относится к сельскому хозяйству, экологии и биотехнологии и может быть использовано при переработке органических отходов птицеводческих предприятий.

Интенсивное развитие птицеводства в России, безусловно, сопряжено с наращиванием поголовья, однако проблема утилизации помета до настоящего времени не решена и порождает новый круг проблем, обусловленных формированием в зонах птицеводческих комплексов значительных территорий с повышенным уровнем биологической опасности.

Вокруг птицеводческих предприятий накапливаются огромные залежи помета с высоким содержанием экологически опасных компонентов, в частности: тяжелых металлов, пестицидов, медикаментозных средств, возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, аммиака, сероводорода, меркаптана, фенола.

В связи с этим разработка эффективных технологий утилизации органических отходов птицеводства является актуальной для науки и практики.

По экономическим показателям и экологической безопасности предпочтительнее биотехнологические методы, основанные, в частности, на микробной деструкции органических веществ и антагонистическом воздействии на патогенную микрофлору.

Из уровня техники известны способы микробиологической переработки навоза и помета. Решение технических задач позволяет ускорить процесс деструкции органических компонентов и получить экологически чистый субстрат.

Известен способ биологической переработки птичьего помета, состоящий в том, что в птичий помет влажностью 80-90% вносят консорциум бактерий Streptococcus thermophilus, Streptococcus bovis, Dactobacillus salivarius var salicinicus, Lactobacillus salivarius var salivarius, Lactobacillus acidophilus ВКПМ В-5972 в количестве 0,01-4,0%, смесь ферментируют при естественных условиях, затем в ферментируемую смесь вносят влагопоглощающий материал, в качестве которого может быть использован торф или твердофазный помет. Смесь ферментируют при 60-80°C, при аэрации и перемешивании в присутствии личинок синантропных мух до естественного снижения температуры до 25-30°C, затем дополнительно вносят вышеуказанный консорциум в количестве 0,01-8,0% и вновь ферментируют при температуре окружающей среды. В результате получают продукт, который может быть использован в качестве удобрения и кормовой добавки.

Недостатком данного метода является трудоемкость исполнения, включающая многоступенчатость процесса, использование личинок синантропных мух и консорциум микроорганизмов, состоящий из пяти штаммов (патент РФ №2055823, МПК COSF ¹¹/₀₈, C12P ³⁹/₀₀, 1996 г.).

Известен способ получения биокомпоста на основе сельскохозяйственных отходов при аэробно-анаэробной ферментации, включающий формирование бурта из преимущественно подстилочного птичьего помета и навоза домашних животных, внесение микробиологического комплекса и других добавок (Lactobacillus plantarum, 34, В 2118, Lactobacillus fermentum, 27, В 2431, Lactococcus lactis, шт. АМС, В 3123, Bacillus cytaseus, 21/2/AS, В 4441, Bacillus cereus, РХТУ BT-5, Bacillus subtillis, GL, В 8130, фильтрат водной суспензии, содержащей 20-30% свежего навоза рогатого скота или лошадей, микроэлементный комплекс, раствор щелочи), увлажнение, осуществление биологического разогрева и периодическое перемешивание компостируемой массы (патент РФ №2374211, МПК C05F ³/₀₀, 2009 г.). Недостатком этого способа является многокомпонентность субстрата, используемого для ускорения ферментации органических отходов.

Также известен способ биологической переработки птичьего помета, который предусматривает смешение птичьего помета с влагопоглощающим материалом, с последующей аэробной ферментацией смеси в присутствии микроорганизмов Bacillus subtilis A-168, Bacillus mycoides B-691, Bacillus mycoides B-46, Streptococcus thermophilus B-907, Candida tropicalis Y-1520, Candida utilis Y-2441 в равных соотношениях и при перемешивании до естественного снижения температуры до 25-30°C. Недостатком способа является многокомпонентный состав вносимого консорциума микроорганизмов, что делает процесс получения микробной биомассы затруднительной в крупномасштабном производстве (патент РФ №2322427, МПК COSF ¹¹/₀₈, C12N ¹/₂₀, 2006 г.).

Наиболее близким к предлагаемому является способ микробиологической переработки птичьего помета (патент РФ №2437864, МПК COSF ³/₀₀, AO1C ³/₀₀, COSF ¹¹/₀₈, 2011 г.), включающий поэтапное (с интервалом 5 суток) внесение микробных культур Pseudomonas sp.114 и Azotobacter chroococcum с перемешиванием субстрата. Культуры вносят в субстрат в соотношении 2:1, титром 10⁸ кл/мл, в количестве 45 мл/кг при переработке бесподстилочного помета и 15 мл/кг подстилочного. Преимуществом данного способа является ускорение процесса биоконверсии с одновременным увеличением биологической активности продукта переработки и экологической безопасности.

Недостатками данного способа переработки птичьего помета являются: во-первых, двухэтапное внесение микробных культур с интервалом 5 суток, требующее дополнительных расходов на привлечение техники, топлива, рабочих; во-вторых, данный способ предусматривает внесение большого объема микробной биомассы, на тонну помета 15-45 л, что является очень дорогостоящим. А если учесть, что ежегодный объем помета от одной птицефабрики составляет 40-50 тыс.тонн, то внесение большого объема микробной биомассы экономически невыгодно.

В настоящее время, несмотря на широкий ассортимент биопрепаратов, используемых для утилизации различного органического сырья, поиск эффективных штаммов микроорганизмов-деструкторов продолжает оставаться актуальной задачей. На наш взгляд, теоретически предпочтительнее использовать для переработки органических отходов животноводства и птицеводства дрожжевые микроорганизмы, большинство из которых экологически безопасные, непатогенные, не требовательные к условиям роста, способны выживать в экстремальных условиях, обладают деструктивными свойствами в отношении органического сырья.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в упрощении технологического процесса, уменьшении расхода вносимых микробных культур, удешевлении процесса переработки пометной массы с получением экологически безопасного субстрата, положительно влияющего на агрохимические и биологические свойства почвы и повышающего урожайность сельскохозяйственных культур.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе микробиологической переработки птичьего помета с использованием микробиологических культур, разведенных в воде (в зависимости от влажности исходного субстрата от 10 до 1000 и более раз) и вносимых в птичий помет; в качестве микробных культур используют штаммы дрожжей Candida krusei-96 и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 1:1 с титром 10⁸ КОЕ/мл, вносимых в количестве 2 мл на тонну помета, который укладывают послойно, с добавлением влагопоглощающего материала; внесение микробных культур осуществляют однократно. В качестве влагопоглощающего материала используют солому или опилки.

Отличительным признаком предлагаемого способа является использование в качестве микробиологических культур Candida krusei-96 и Saccharomyces cerevisiae, обладающих деструктивными свойствами в отношении органического сырья.

Штамм Candida krusei-96 выделен из антропогенно загрязненного почвенного покрова. Характеристика штамма ранее не опубликована. Штамм в других целях не использовался.

Candida krusei-96 не требователен к факторам роста, растет при температуре 4-40°C, pH 2-10, в присутствии 10% NaCl.

Candida krusei-96 имеет следующие морфологические и физиологические характеристики.

Морфология. Округлые дрожжевые клетки, размерами: 4,0±0,17 мкм и 5,0±0,3 мкм. В мазках клетки располагаются по отдельности изолировано или скоплениями в виде цепочек.

Культуральные признаки. На сусло-агаре рост клеток характеризуется образованием мелких (1 мм), округлой формы, мутных, кремового цвета, с ровными краями и вязкой консистенцией колоний. При выращивании на жидкой питательной среде (МПБ, бульон Сабуро) вызывают помутнение с формированием слизистой пленки и хлопьев, разбивающихся при встряхивании.

Физиологические признаки. Аэроб, оптимальные условия роста при температуре 35-37°C и pH 4,8-5,0.

Биохимические свойства. Ферментирует мальтозу с образованием кислоты и газа. С образованием только кислоты расщепляет глюкозу, сахарозу, глицерин, маннит, сорбит, дульцит, лактозу.

Обладает каталазной, уреазной, амилолитической, целлюлозолитической, протеолитической, липазной активностью, не образует индол, сероводород.

Candida krusei-96 не патогенен, не проявляет фитотоксических свойств.

Штамм депонирован во Всероссийской государственной коллекции штаммов микроорганизмов, используемых в ветеринарии и животноводстве (Candida krusei-96 - ВГНКИ 04.05.18.-ДЕП).

Saccharomyces cerevisiae - пищевые дрожжи (хлебопекарные прессованные дрожжи производства Буинского сахарного завода по ГОСТ 171-81.

Способ осуществляют следующим образом. На твердую ровную площадку или отстойник укладывают птичий помет послойно на высоту 1-1,5 м с добавлением до 20% влагопоглощающего материала (соломы или опилок) и каждый слой поливают водным раствором, содержащим смесь штаммов микроорганизмов Candida krusei-96 и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 1:1 из расчета 2 мл на тонну птичьего помета один раз и оставляют на воздухе на 20 суток. Переработку осуществляют в летнее время с мая по октябрь месяц.

Микроорганизмы, входящие в состав смеси, эффективно разлагают птичий помет и превращают его в качественное, экологически чистое, органическое удобрение с высокими питательными свойствами.

Изобретение поясняется примерами.

Пример 1. Отработка оптимальных доз внесения микроорганизмов.

Опыты проведены в лабораторных условиях на свежем птичьем помете.

Схема опыта включала внесение микроорганизмов Candida krusei-96 и Saccharomyces cerevisiae в разных концентрациях, с содержанием в 1 мл 10⁸ микр. кл.:

- Контроль (микроорганизмы не вносили);

- Опыт №1 - внесение микроорганизмов в дозе 0,01 мл/кг;

- Опыт №2 - внесение микроорганизмов в дозе 0,02 мл/кг;

- Опыт №3 - внесение микроорганизмов в дозе 0,03 мл/кг;

- Опыт №4 - внесение микроорганизмов в дозе 0,04 мл/кг. Перед внесением культуральную жидкость разводили чистой нехлорированной водой (1:100).

При микробиологических и копрологических исследованиях образца №1 (вариант опыта с внесением микроорганизмов в количестве 0,01 мл/кг), анализированного на 20 сут опыта, обнаруживались более 1000 бактерий группы кишечной палочки, более 100 энтерококков, сальмонеллы и ооцисты эймерий. Использование дозы 0,02-0,04 мл/кг значительно снижало уровень микробной контаминации субстрата.

Таким образом, на модельных опытах подобрана наиболее оптимальная доза - 0,02 мл/кг (таблица 1).

Использование данных микроорганизмов позволило обезвредить субстрат от патогенной микрофлоры, ооцист эймерий, значительно уменьшить количество бактерий группы кишечной палочки и энтерококков (таблица 2).

Пример 2. Изучение эффективности использования консорциума микроорганизмов для утилизации и обезвреживания птичьего помета.

Опыты проведены в условиях птицеводческого хозяйства РТ. На открытой площадке с помощью тракторов формировали бурты свежего бесподстилочного птичьего помета, влажностью 72,6% (высотой 1-1,5 м). Общий объем складированного субстрата около 100 тонн. В качестве влагопоглощающего материала укладывали солому до 20% слоями.

В опытный бурт равномерно вносили смесь микроорганизмов Candida krusei-96 и Saccharomyces cerevisiae в соотношении 1:1 с титром 10⁸ KOЕ/мл, разведенных в чистой нехлорированной воде (1:1000), из расчета 2 мл на тонну субстрата. Для равномерного внесения микроорганизмов использовали пожарную машину. В контрольный бурт микроорганизмы не вносили.

Влажность исходного субстрата составила 72,6%, массовая доля органического вещества в пересчете на углерод 36,0%, содержание азота, фосфора, калия - 5,23; 3,69; 2,31%.

На 20 сутки опыта индекс санитарно-показательных микроорганизмов (БГКП, энтерококки) составил менее 10 кл/г; патогенные микроорганизмы, микроскопические грибы, яйца и личинки гельминтов, ооцисты простейших не обнаруживались (при наличии в исходном субстрате). Массовая концентрация примесей токсичных элементов в отобранных образцах обработанного помета не превышала ориентировочно допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в почве (30 мг/кг свинца, 0,5 мг/кг кадмия, 33,0 мг/кг меди, 55,0 мг/кг цинка).

Обработанный субстрат представлял собой рассыпчатую массу темного цвета без специфического неприятного запаха.

В контрольном (не обработанном) образце обнаруживались: более 100000 КОЕ/г бактерий группы кишечной палочки, более 10000 КОЕ/г энтерококков, микроскопические грибы, ооцисты эймерий.

Массовая доля органического вещества обработанного птичьего помета в пересчете на углерод составила 35,7%, содержание азота, фосфора, калия - 4,9, 3,6 и 2,3%. Содержание азота, фосфора и калия не обработанного субстрата составило 3,7, 3,2 и 1,9% соответственно.

Пример 3. Изучение эффективности использования консорциума микроорганизмов для утилизации и обезвреживания птичьего помета.

Опыты проведены в условиях птицеводческого хозяйства РТ. На твердую ровную площадку закладывали помет на высоту 1,0-1,5 м, добавляя в качестве влагопоглощающего материала опилки до 20% слоями, и каждый слой поливали водным раствором, содержащим смесь указанных штаммов микроорганизмов (1:1) из расчета 2 мл на 1 тонну субстрата.

Общий объем складированного субстрата около 100 тонн.

Отобранный на 20 сутки субстрат по микробиологическим, токсикологическим, физико-химическим показателям пригоден для использования в качестве органического удобрения.

Пример 4. Оценка эффективности влияния полученного удобрения на агрохимические свойства почвы.

Опыты проведены в полевых условиях на серой лесной среднесуглинистой почве. Для сравнения использовали навоз без внесения микроорганизмов (20 т/га) и минеральное удобрение N₁₂₀P₉₀K₇₅, с эквивалентным содержанием питательных веществ. Полученное биоудобрение вносили дозах 3, 6, и 9 т/га.

Под влиянием удобрения отмечалась положительная тенденция в улучшении пищевого режима (содержание подвижного фосфора увеличивалось на 16,3%, обменного калия на 22,5%), физико-химических свойств почв (снижение гидролитической кислотности на 24,2%; обменной кислотности на 2,7%; повышение степени насыщенности почвы основаниями на 23,1%).

По своему влиянию на эти агрохимические показатели почвы внесение полученного удобрения идентично использованию в 6 раз большего количества навоза без использования микроорганизмов и в 2 раза минерального удобрения.

Пример 5. Оценка эффективности полученного удобрения на активизацию деятельности почвенной микрофлоры.

Условия постановки экспериментов идентичны, описанным в предыдущем примере.

В полевых условиях на серой лесной среднесуглинистой почве выявлена активизация деятельности почвенной микрофлоры при внесении переработанного с использованием консорциума дрожжевых микроорганизмов птичьего помета.

Внесение удобрения заметно активировало деятельность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, аммонификаторов, нитрификаторов. Под влиянием удобрения увеличивалась численность микроорганизмов, осуществляющих превращение углерод- и азотсодержащих соединений. Количество нитрификаторов возросло на 96,4% по сравнению с исходными значениями. Отмечалось возрастание численности целлюлозоразрушающих бактерий на 85,6% (Р<0,001). Ускорялась и минерализация органического вещества, на что указывало возрастание численности аммонификаторов, усваивающих минеральные источники азота и его органические формы (количество аммонификаторов возросло в 3,1 раза).

Пример 6. Оценка эффективности полученного удобрения на урожайность зерновых в звене севооборота

Условия постановки экспериментов идентичны, описанным в предыдущем примере.

От действия и последействия полученного с использованием консорциума дрожжевых микроорганизмов удобрения в дозах 3, 6 и 9 т/га в течение 4 лет суммарная прибавка урожая исследуемых культур в звене севооборота: яровая пшеница, однолетние травы, ячмень и овес составила соответственно 11, 7, 19,1 и 26,9 ц/га зерновых единиц.

Внесение навоза крупного рогатого скота в дозе 20 т/га способствовало за этот период получению прибавки урожая 17,5 ц/га зерновых единиц, что соответствует примерно прибавке урожая, получаемой от внесения 6 т/га удобрения полученного предлагаемым способом.

Таким образом, предлагаемый способ микробиологической переработки птичьего помета позволяет упростить и удешевить процесс переработки птичьего помета и получить экологически чистое органическое удобрение. Внесение полученного удобрения в почву положительно влияет на ее агрохимические свойства, а урожайность повышается на 20-30%. В почве возрастает содержание подвижного фосфора (P₂O₅), обменного калия (K₂О), снижается величина гидролитической и обменной кислотности и повышается степень насыщенности ее основаниями.

Намечено внедрение данного способа на птицефабриках Республики Татарстан во 2 квартале 2013 года.