Результат интеллектуальной деятельности: Способ приготовления биоудобрения

Изобретение относится к области биотехнологии и сельского хозяйства и может быть реализовано при получении биоорганического удобрения.

Активное использование минеральных удобрений является причиной нарушения в почве естественного процесса биологического саморегулирования, потерей биогумуса, негативно отражается на состоянии почв. Органические удобрения в отличие от минеральных удобрений полностью усваиваются, поддерживая естественный процесс саморегуляции почв. В связи с этим весьма актуально создание и использование новых форм биоудобрений, включающих кроме органических компонентов микроорганизмы.

Описан способ получения биологически активного органического удобрения, включающий биоконверсию навоза с соломой в течение 3 месяцев при температуре до 50°С с использованием штамма бактерий Bac.subtilts (Патент RU №2 376 270. 2009 г.).

Недостатком способа является длительность приготовления биоудобрения, составляющая 3 месяца, невозможность достижения полного обеззараживания навоза содержащего патогенные микроорганизмы, гельминты, семена сорных растений используемого для выращивания бактерий Bac.subtilis.

Известна микробная композиция, для повышения урожайности растений содержащая два компонента - консорциум микроорганизмов, полученный из образцов плодородной почвы и хитин или хитозан или глюкозамин или аминокислоты (Патент RU №2 583 294)

Недостатками композиции является использование дорогостоящих и востребованных в медицине и пищевой промышленности хитина, хитозана, глюкозамина и аминокислот.

Известен способ приготовления бактериального удобрения с использованием бактерий рода Azotobacter путем их культивирования на плотной питательной среде Эшби, затем на выращивание на жидкой питательной среде Берка с добавлением 0,3-0,7 г/л экстракта кормовых дрожжей в термостате на качалке в течение 20-24 час, внесение в рабочий объем среды Берка с добавлением триптофана и экстракта кормовых дрожжей в количестве 0,2-1.0 г/л, культивирование в течение 40-48 час, готовый продукт помещают в холодильник (Патент RU №2 286 324).

Недостатком способа является трудоемкость и многоэтапность процесса получения бактериального удобрения, использование дорогостоящих питательных субстратов и триптофана.

Предлагается способ получения комплексного микробиологического удобрения заключающийся в совмещении микробиологической составляющей представляющей собой материал грибов микоризы и природного биосовместимого носителя - дефекационную грязь (дефекат)- отход свеклосахарного производства (Патент RU №2 312 784, 2008 г)

Недостатком способа является высокое содержание в составе дефеката извести углекислой (с примесью едкой) - 60-75%, что ограничивает его использование известкованием главным образом дерново-подзолистых почв, выщелоченных черноземов, преимущественно в районах свеклосеяния,

Известен способ получения биоудобрения включающий приготовление микробной биомассы штамма или сообщества микроорганизмов и иммобилизацию биомассы на органическом носителе - сухом гранулированном курином помете (Патент RU №210005. 1999 г).

Способ имеет существенный недостаток связанный с высокими трудовыми и энергетическими затратами на отделение биомассы микроорганизмов, сушку и грануляция куриного помета.

Предлагается органическое удобрение, включающее микробную биомассу, полученную из нефтешлама, иловую массу и бор.

Однако предлагаемое органическое удобрение имеет существенный недостаток -в его составе присутствует 0.5-3.0% нефтешлама. состоящего из смеси нефти, нефтепродуктов, продуктов перегонки нефти собранных при очистке сточных, технологических и канализационных вод, являющихся основными загрязнителями окружающей среды, а также получение биомассы дрожжей выращенных на нефтешламе с добавлением питательного раствора.

Известен способ приготовления биоудобрений включающий получение жидкой бактериальной культуры, подготовку биогумуса путем вермикультивирования дождевых червей на отходах сельскохозяйственного и примышленного производства, стерилизацию полученного биогумуса в течение 0.8-1.2 час при давлении 0.8-1.2 атм, засев биогумуса-субстрата носителя) бактериальной культурой Rhizobium japonicum, выдерживание при температуре 20-25°С в течение 5-7 дней (Патент RU №2 280 629. 2006 г. - прототип).

Недостатком способа является длительность и трудоемкость приготовления, удобрения, высокие энергозатраты в результате продолжительного автоклавирования и длительного культивирования бактерий (5-7 дней).

Уровень техники.

Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур используют минеральные (фосфатные-суперфосфат, фосфоритная мука, азотные - сульфат аммония, мочевина, аммиачная селитра, калийные - хлористый и сернокислый калий,) и органические - навоз, птичий помет, торф, компост и др. удобрения.

Внесение большого количества и длительное использование минеральных удобрений приводит к загрязнению сельскохозяйственной продукции, почв и пресных вод нитратами, тяжелыми металлами, оказывает негативное влияние на почву, приводит к потерям гумуса, изменяет состав почв и почвенной микробиоты.

В настоящее время, для снижения отрицательного влияния минеральных удобрений на окружающую среду, активно разрабатываются новые, альтернативные минеральным, виды органических удобрений.

В состав органических удобрений входит биогумус, который получают верми-компостированием органических отходов с использованием червей в течение 2-3 месяцев, и микроорганизмы, преимущественно азотфиксаторы, которые вносятся после отделения червей от биогумуса (Пат. RU №2 619 473. 2017 г., Пат. RU №2 360 893. 2017 г, Пат. RU №2 286 973. 2006 г.) или компосты и биопрепараты содержащие различные виды микроорганизмов, элементы питания и ростовые факторы (Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Смирнова Ю.Д, 2015 г.).

Однако, несмотря на высокую ценность компоста, и компостированного навоза этот вид органического удобрения нельзя отнести к экологически чистым ввиду значительной загрязненности патогенными или условно патогенными микроорганизмами, семенами сорняков, гельминтов и др. (Рабинович Г.Ю. 2000 г.). Также ограничены сырьевые ресурсы для их производства.

В связи с этим весьма актуальна разработка нетрадиционных приемов получения безопасных органических удобрений, основанных на использовании отходов пищевых производств и штаммов микроорганизмов

Решаемая задача - разработка способа получения биоорганического удобрения с использованием отходов крахмалопаточного производства - картофельного сока, замочных вод и экстрактов зерна, зернобобовых, гуминовых кислот и

микроорганизмов, расширение спектра биоудобрений и новых субстратов носителей для их получения. Технический результат:

• снижение материальных, трудовых и энергетических затрат на производство биоудобрения за счет использования нового вида субстрата-носителя-, картофельного сока, замочных вод и экстрактов зерновых, зернобобовых для азотфиксирующих и молочнокислых микроорганизмов, разработка экологически безопасной упрощенной технологии утилизации отходов;

• сокращение стоимости биоудобрения путем использования дешевого сырья - замочных вод и экстрактов крахмалопаточного производства основанного на получении крахмала из картофеля, зерновых, зернобобовых, экономии поливных вод. уменьшение расходов на строительство и обслуживание очистных сооружений;

• повышение ценности биоудобрения в результате применения в качестве субстратов-носителей замочных вод и экстрактов крахмалопаточного производства, основанного на получении крахмала из картофеля, зерновых и зернобобовых, представляющих собой источник органических веществ, макро- и микроэлементов, а также микроорганизмов способствующих ускорению разложения органических компонентов почвы, синтезирующих биологически активные соединения;

• достижение высокого уровня микробиологической и экологической чистоты путем предварительной термической обработки субстратов -носителей, картофельного сока, замочных вод и экстрактов зерновых и, зернобобовых;

• снижение экологической нагрузки на окружающую среду в результате утилизации стоков, замочных вод и экстрактов крахмального производства

Технический результата достигается тем, что в способе приготовления биоудобрений включающего получение жидкой бактериальной культуры, подготовку субстрата-носителя и его засев, при этом в качестве субстрата-носителя используют сок картофеля, замочные воды или экстракты зерновых и зернобобовых. которые готовят

путем подщелачивания до рН 6.5…8.5. последующей термической обработки при температуре 90-120°С в течение 10-15 мин, охлаждения до температуры 24-32°С, затем вносят гуминовые кислоты в количестве 0,05% - 0,005%, и засевают монокультурами родов Azotobacter, Azospirillum, Bacillus, Rhizobium, Lactobacillus или их сообществом составленном в любом соотношении, затем перемешивают суспензию бактерий, и непосредственно вносят в почву или выращивают бактерии в течение 6-24 час при температуре - 24-35°С, до достижения концентрации бактерий 10⁹ -10¹¹ клеток/мл (рис. 1, 2).

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем, у замочных вод, высвободившихся после получения крахмала из зерна, зернобобовых, и сока картофеля корректируют рН 6.5…8.5, термически обрабатывают субстрат-носитель при 90…120°С в течение 10…15 мин, охлаждения до температуры 24…32°С, в полученный субстрат-носитель вносят гуминовые кислоты в количестве 0,05%…0,005%. засевают суспензией микроорганизмов состоящей из монокультур родов Azotobacter, Azospirillum, Bacillus, Rhizobium, Lactobacillus или их сообществом составленном в любом соотношении, затем перемешивают суспензию бактерий, и непосредственно вносят в почву или выращивают бактерии в течение 6…24 час при температуре -24…35°С, до достижения концентрации бактерий 10⁵…10¹¹ клеток/мл (рис. 1, 2).

Готовый продукт представляет собой суспензию живых микроорганизмов, содержащую 10⁵ -10¹¹ клеток/мл, может использоваться как в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе (картофельный сок, замочные воды зерновых и зернобобовых), так и после высушивания в виде порошка.

Микробиологические характеристики субстрата-носителя и биоудобрений приведены в табл. 1.

В золе картофельного сока, замочных вод зерновых и зернобобовых содержатся практически все микроэлементы, их минеральный состав представлен:

• макроэлементами - калий, кальций, магний, натрий, сера, фосфор, хлор:

• микроэлементами - железо, иод. марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк, бор, кобальт.

Около 60% зольных элементов картофельного сока составляет оксид калия, который является важным компонентом минеральных удобрений.

В состав органических соединении картофельного сока, замочных вод зерновых и зернобобовых, белки содержащие более 12 аминокислот, углеводы, витамины - С, РР, В9, Е, бета- каротин, пантотеновая кислота, углеводы, органические кислоты и др.

Ртуть, мышьяк, пестициды и микотоксины в соке картофеля, замочных водах зерновых и зернобобовых отсутствуют, нитраты и радионуклеотиды не превышают допустимых уровней (Дышлюк Л.С, Асякина Л.К., Карчин К.В., Зимина М.И. 2015 г.).

Минеральные и питательные вещества усваиваются растениями только в жидкой форме, поэтому введение в почву предлагаемого нами органического удобрения в виде раствора питательных элементов и микроорганизмов. как часть поливных вод, способствует лучшем} поглощению минеральных и других соединений удобрения растениями.

Направленная модификация стоков крахмального производства путем комплексного использования картофельного сока, замочных вод зерна и зернобобовых, гуминовых кислот и микроорганизмов позволяет достичь максимального результата по качественному составу биоудобреиия.

Разработанный нами способ получения биоорганического удобрения и его практическое применение имеет важный экологический аспект, он способствует оздоровлению окружающей среды в результате снижения вредных стоков пищевых производств.

Внесение в почву в составе жидкого биоудобрения азотфиксирующих и молочнокислых бактерий в активном состоянии, являющихся естественными обитателями почв, позволяет им легко прижиться и вписаться в состав почвенных микро-биоценозов, формирующих почвенное плодородие. Состав биоудобрения способствует повышению биологической активности почв сельскохозяйственного назначения.

Пример 1. Стерильную жидкую питательную среду, имеющую следующий состав г/л: K₂HPO₄ - 0.5; MgSO₄ 7H₂O - 0.2; NaCl - 0.1; FeCl₃ 6H₂O - 0.15; Яблочная кислота - 5.0; КОН - 4.8, засевают монокультурой Azospirillum amazonense в количестве 3%, выращивают в течение 24-28 час при температуре 24°С в условиях качалки при 250 об/мин. Полученную бактериальную суспензию, содержащую 10⁹ - 10¹¹ клеток/мл, переносят в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания картофельного сока до рН 6.5, термической обработки сока при 100°С в течение 10 мин, удаления белковых компонентов, охлаждения до 28°С, культивирования при перемешивании и температуре 27°С в течение 10 час.

Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10⁷ -10¹¹ клеток/мл. может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе.

Пример 2. Стерильную жидкую питательную среду, имеющую следующий состав г/л: K₂HPO₄ - 0.5; MgSO₄ 7H₂O - 0.2; NaCl - 0.1; FeCl₃ 6H₂O - 0.15; Яблочная кислота - 5.0; КОН - 4.8, засевают монокультурой Azospirillum brasilense в количестве 5%. выращивают в течение 24-28 час при температуре 24°С в условиях качалки при 250 об/мин. Полученную бактериальную суспензию, содержащую 10¹⁰ -10¹¹ клеток/мл, переносят в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания нутового экстракта до рН 6.5. термической обработки при 100°С в течение 10 мин, удаления белковых компонентов. охлаждения до 28°С, перемешивают в течение 10 -20 мин.

Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10⁵ -10⁹ клеток/мл, может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе.

Пример 3. Стерильную жидкую питательную среду, имеющую следующий состав, г/л: сахароза - 10.0, MgSO₄ 7H₂O - 0.2; NaCl - 0.1, K₂HPO₄ - 0.2, K₂SO₄ - 0.2; СаСО₃ - 5,0, засевают монокультурой Rhizobium cellulosilyticum в соотношении …2:2:1… в количестве 5%, выращивают в течение 24-28 час при температуре 26°С в условиях качалки при 250 об/мин. Полученную бактериальную суспензию, содержащую 10⁹ -10¹⁰ клеток/мл, переносят в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания картофельного сока до рН 7.0. термической обработки сока при 90°С в течение 15 мин, внесения гуминовых кислот в количестве 0,05%. и перемешивают.

Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10⁷ -10¹⁰ клеток/мл, может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе

Пример 4. Стерильную жидкую питательную среду, имеющую следующий состав, г/л: кукурузный экстракт - 12.4, дрожжевой экстракт - 2.1, лактоза - 2.8, CuSO₄⋅5H₂O. - 0.003. (NH₄)₂HPO₄ - 8.4, NaCl - 0.28, MgSO₄ 7H2O 0.14,, K₂SO₄ - 2.8, CaCl₂ - 0.4. засевают культурой Bacillus subtilis в количестве 5%, выращивают в течение 24-28 час при температуре 30°С в условиях качалки при 250 об/мин. Полученную бактериальную суспензию, содержащую 10⁹ -10¹¹ клеток/мл, переносят в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания замочных вод пшеницы до рН 8.5, последующей термической обработки при 120°С в течение 10 мин и перемешивают.

Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10⁷ - 10¹⁰ клеток/мл, может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе. Пример 5. Стерильную молочную засевают монокультурой Lactobacillus plantarum в количестве 5%, выращивают в течение 24-28 час при температуре 37°С в условиях качалки при 250 об/мин. Полученную бактериальную суспензию, содержащую 10⁵ - 10⁶ клеток/мл, переносят в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания замочных вод гороха до рН 7.0, термической обработки при 90°С в течение 15 мин, внесения гуминовых кислот в количестве 0,05%, и перемешивают.

Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10¹⁰ - 10¹² клеток/мл, может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе Пример 6. Суспензию бактериальных культур Azotobacter amazonense, Bacillus subtilis и Rhizobium cellulosilyticum полученную в стерильной жидкой питательной среде, содержащую 10⁹ -10¹¹ клеток/мл, переносят при соотношении 1:1:1 в количестве 4%. в субстрат-носитель, который получают после подщелачивания картофельного сока до рН 7.2, термической обработки сока при 90°С в течение 10 мин, внесения гуминовых кислот в количестве 0,005%, и перемешивают. Готовый продукт представляет собой суспензию, содержащую 10⁷ -10¹⁰ клеток/мл, может использоваться в виде суспензии микроорганизмов в жидком субстрате-носителе.

Известно, что внесение в почву удобрений и препаратов, содержащих гуминовые кислоты, активирует рост почвенных микроорганизмов, при этом повышается потребление органических и минеральных соединений, что увеличивает минерализацию органических веществ, которые активно используются растениями (Безутлова О.С., Полиенко Е.А., Горовцов А.В., 2016 г.).

Введение в состав суспензии, замочных вод зерновых или зернобобовых или картофельного сока, микроорганизмов, гуминовых кислот, позволяет не только максимально улучшить состав биоудобрения, но и повысить физиологическую активность, синтез фитогормонов микроорганизмов.

Промышленная применимость. Заявляемый способ, приготовления биоудобрения, предназначен для применения в виде раствора или суспензии для непосредственного внесения в поля любым известным способом, как внутрипочвенным, так и поверхностным (разбрызгиванием, поливом, разливом по поверхности почвы и др.). Способ может быть осуществлен на традиционном оборудовании с применением имеющихся технических устройств - машин для внесения жидких удобрений, при любых погодных условиях.

Таким образом, совокупность существенных признаков, содержащихся в формуле изобретения, позволяет достичь желаемого технического результата.

Литература

1. Лопес-Сервантес Хайаме, Рохин Карл Райнер ФИК. Микробный способ и композиция для сельскохозяйственного применения. Патент RU №2583294. 2011 г.

2. Ладыгина Г.Н., Олюнина Л.П., Речкин А.И., Мацкова Ю.А., Алексеева А.Е. Способ приготовления бактериального удобрения на основе бактерий рода Azotobacter. Патент RU №2286324. 2006 г.

3. Степанов А.И., Неустроев М.П., Прибылых Е.И., Иванов Э.Г., Тарабукина Н.П., Парникова С.И. Способ приготовления биологически активного биологически активного удобрения (БАОУ). Пат. RU №2376270. 2009 г.

4. Кощаев А.Г. Способ приготовления биоудобрения. Пат RU №2280629, 2006 г

5. Чеботарь В.К., Казаков А.Е., Ерофеев С.В., Данилова Т.Н., Наумкина Т.С., Штарк О.Ю., Борисов А.Ю. Способ получения комплексного микробиологического удобрения. Пат RU №2312784. 2008 г.

6. Райманов И.Т., Алимова Ф.К., Ожиганова Г.У., Хабибуллин Р.Э., Крылова Н.И., Фаттахова А.Н. Способ получения биоудобрения. Пат RU №210005, 1999 г

7. Шпербер Р.Е., Беляев Б.О., Крапивин Т.Д., Усова У.Б., Шпербер Е.Р., Шпербер Ф.Р., Шпербер И.Р., Шпербер Д.Р., Шпербер Р.С пат RU №2210557 Органическое удобрение 2003 г.

8. Лящев А.А. Способ получения биогумуса. Пат.RU №2619473. 2017 г.

9. Мохов В.В. Биоорганическое удобрение. Пат.RU №2360893. 2017 г

10. Кощаев А.Г. Способ изготовления биогумуса обогащенного азотфиксирующими бактериями. Пат.RU №2286973. 2006 г.

11. Рабинович Г.Ю., Ковалев Н.Г., Смирнова Ю.Д. Применение глвых биоудобрений и биопрепаратов при возделывании яровой пшеницы (Triticum aeslivum L.) и картофеля {Solatium tuberosum L.). Сельскохозяйственная биология. 2015 г. том 50, №5, стр. 665-672. Экологические основы безопасной агротехнологии.

12. Рабинович Г.Ю. Автореф. докт. биол. наук. Тверь 2000 год. Биоконверсия органического сырья.

13. Дышлюк Л.С, Асякина Л.К., Карчин К.В., Зимина М.И. Изучение химического состава и показателей безопасности отходов картофельного производства. Современные проблемы науки и образования. 2014 г., №3.

14. Безуглова О.С., Полиенко Е.А., Горовцов А.В. Гуминовые препараты как стимуляторы роста растений и микроорганизмов (обзор). Известия Оренбургского аграрного университета, 2016 г.