И. П. Криволапов

ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», г. Мичуринск, Россия

В сельском хозяйстве необходимость утилизации отходов животноводческих ферм и птицефабрик порождает сложные проблемы, связанные со сбором, транспорти-ровкой, хранением и переработкой навоза и помета.

Одним из возможных способов утилизации отходов животноводства является компостирование, сущность которого сводится к получению качественного органического удобрения, не содержащего в своем составе патогенной микрофлоры, личинок гель-минтов и семян сорных растений. Так, ученые Токийского университета, исследуя воз-можные способы утилизации навоза свиней, крупного рогатого скота и птиц, выяснили, что для навоза крупного рогатого скота компостирование является одним из наиболее эффективных способов утилизации [6]. Основная роль в этом процессе отводится микроорганизмам.

Кубарева О. Г. и соавторы, изучая микробиологические процессы, происходящие в компостах, приготовленных из различного органического сырья, пришли к выводу, что изменение агрохимических показателей качества компостов и накопление питательных веществ тесным образом связано с микробиологической активностью [2].

С точки зрения микробиологии, компостирование - это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. Эта спонтанная популяция микрофлоры определяет качество и скорость созревания компостов [3].

В процессе компостирования при разложении определенного состава помета или навоза в определенных условиях (температура, влажность, концентрация веществ, рН, содержание токсинов) выделяются 2-4 доминирующих вида микроорганизмов, которые осуществляют процесс разложения органического вещества, при этом, если изменить условия, то появляются другие органические виды, следовательно, внесение опре-деленных микроорганизмов на начальной стадии компостирования вряд ли может сильно повысить скорость процесса, но, по утверждению П. Фоструп, инокуляция микроорга-низмов дает более быстрый старт, что может быть важным для ускорения компостирова-ния [3,7].

Процесс компостирования можно условно разделить на 4 стадии:

1.    мезофильная;
2.    термофильная;
3.    остывание;
4.    созревание.

В период мезофильной стадии микроорганизмы начинают достаточно быстро размножаться, температура отходов постепенно повышается до 40?С и среда подкисля-ется из-за образования органических кислот [3].
При разложении аминокислот белков микроорганизмами Bacillus cereus, Pseudo-monas fluorescens, Pseudomonas aeruginosa, Clostridium sporogenes азот освобождается в виде аммиака (так называемый процесс аммонификации (минерализации) азота), а из содержащейся в белке серы образуются сернистые соединения.
Пути внутриклеточного или внеклеточного расщепления аминокислот могут быть различными. В принципе, возможны следующие процессы:

а)    дезаминирование: R•CH2CHNH2•COOH—> R•CH=CHCOOH + NH3
б)    окислительное дезаминирование: R•CHNH2•COOH + 1/2O2 —> R•CO•COOH + NH3
в)    восстановительное дезаминирование R•CHNH2•COOH+2Н —>  R•CН2•COOH + NH3
г)    декарбоксилирование: R•CHNH2•COOH —> R•СH2NH2+СО2

Как следует из этих данных, в процессе первых трех реакций выделяется аммиак, при декарбоксилировании выделяется диоксид углерода [2,5].

Углерод используется микроорганизмами для получения энергии, а азот - для построения структуры клетки, оптимальное соотношение углерода и азота в компостируемом материале составляет 30:1. Если в начале процесса компостирования соотношение углерода и азота значительно превышает 30:1, то компостирование происходит медленно, если соотношение углерода меньше, чем это необходимо для преобразования азота белка, то этот углерод расходуется, а остаточное количество азота выделяется в виде аммиака. В случае достижения определенного оптимума в соотношении углерода и азота бактерии и прочие микроорганизмы развиваются хорошо и потери азота минимальны [7].
Содержащаяся в навозе и помете мочевина, гиппуровая и мочевая кислоты также подвергаются влиянию химико-микробиологических процессов. Так, мочевина, под влиянием микроорганизмов Micrococcus ureae, Sporosarcina ureae, Bacillus pasteurii и др., обладающих ферментом уреазой, превращается в аммиак и углекислый газ:

CO(NH2)2+2H2O —> (NH4)2CO3

Эти бактерии способны развиваться при достаточно высокой щелочности среды (рН 9-10), что позволяет им разлагать значительные количества мочевины до аммиака. Карбонат аммония является малоустойчивой солью, которая разлагается на свои составные части:

(NH4)2CO3 —> 2NH3+CO2+H2O

Разложение мочевой и гиппуровой кислот может иметь также и энергетическое значение [2,4].

Изменение рН среды также является результатом химико-микробиологических преобразований. Аммиак, который образуется в навозе при окислении органических веществ, довольно быстро окисляется в азотистую, затем в азотную кислоту, происходит процесс нитрификации. Данный процесс вызван бактериями рода Nitrosomonas, Nitroso-cystis, Nitrosolobus и др. [2].
В процессе компостирования теряется в виде углекислого газа и воды около 40% массы органического вещества, соответственно, увеличивается зольность.

Азотистые соединения твердых выделений и подстилки, главным образом белок, также разлагаются с образованием аммиака, но очень медленно, потому что при большом количестве углеродистых соединений образующийся аммиак полностью используется микроорганизмами [3,7].
При повышении температуры свыше 40?С происходит переход от мезофильной стадии к термофильной, в результате такого перехода температура смеси достигает 60?С.

В процессе хранения соломонавозной смеси (рисунок 1) в опытном хозяйстве Мичуринского ГАУ было установлено, что максимальная температура смеси была достигнута на 6-7 сутки хранения.

В течение термофильной фазы легко разлагаемые субстраты, такие, как сахара, крахмал, белки, жиры, достаточно быстро потребляются. Более устойчивые субстраты снижают активность термофильных микроорганизмов. В процессе компостирования наблюдается быстрое, практически полное разложение жиров и превращение лигноцел-люлозы в гумусоподобные вещества с высокой емкостью катионного обмена. По ходу компостирования снижается содержание неэкстрагируемых органических веществ и фульвокислот и увеличивается или не изменяется содержание настоящего гумуса, который образуется только в аэробных условиях. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотерь, что соответствует достижению температурного максимума [3,7].

В этой точке материал практически достигает стабильного состояния, перестает привлекать насекомых и дурно пахнуть. Наиболее активный биотермический процесс протекает в буртах при площадочном способе закладки, где температура поднимается до 64?С для птичьего помета [3].

За счет биотермических и биолитических процессов компостирование дает возможность обеззараживать навоз КРС, птичий помет от патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. В процессе компостирования погибают такие патогенные микроорганизмы, как кишечная палочка, стафилококки, а также устойчивый штамм Salmonella Dublin [3].

В период стадии остывания, которая следует после температурного максимума, рН медленно понижается. Скорость тепловыделения становится очень низкой, а температура снижается до уровня окружающей среды.

Первые три стадии компостирования протекают очень быстро за дни или недели, в зависимости от системы компостирования, в то время как заключительная стадия – созревание, в течение которой потери массы и тепловыделение малы, длится несколько месяцев [3,4].

В период созревания протекают сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками отмерших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Для определения созревания достаточно часто используют отношение NH4+/NO3-, поскольку на заключительной стадии процесса компостирования растет содержание нитратов и снижается содержание солей аммония [8].

По данным Поманского А.А., убыль сухого вещества в навозе за 6 месяцев его хранения составляет 17-21%, при созревании навоза в нем значительно возрастает содержание перегнойных соединений. Работы Пряшникова В.П. подтверждают, что минеральных веществ при хранении навоза теряется меньше, чем органических, однако он относительно обогащается основными питательными для растения элементами (особенно калием и фосфором), данные представлены в таблице 1 [8].

Таблица 1 - Изменение минеральных составных частей навоза при его созревании по данным В. П. Пряшникова

Некоторые производители компоста добавляют в смеси определенное количество сухой почвы для уменьшения влагосодержания и снижения выделения аммиака при низком соотношении углерода и азота в материале. Чтобы обеспечить соотношение углерода и азота на уровне 30:1 наиболее эффективно добавлять целлюлозу. Сухую почву добавляют при значительном уровне кислотности, однако излишняя почва снижает проникновение воздуха в материал и влияет на достижение оптимальной температуры смеси [4,7].

Физико-химические процессы и продукты микробиологических превращений навоза представляют большой интерес с практической точки зрения. Коррозия находящихся в контакте с навозом конструкционных элементов и технических устройств объясняется специфическими ионными реакциями, причем наиболее важную роль играет содержание сульфидов, сульфатов и аммиака, а также углекислоты, агрессивной к извести. Если не соблюдать правила техники безопасности и не учитывать местные и ме-теорологические условия, то выделяемые газообразные продукты, например сероводород, аммиак, амины, меркаптаны и низшие жирные кислоты, могут обусловить резкий запах, что представляет серьезную опасность для здоровья человека и животных [1,3].

Таким образом, все процессы, которые происходят при хранении и переработке органического сырья и навоза являются результатом деятельности микроорганизмов, при этом их штаммы непостоянны и изменяются в зависимости от условия компостирования. Следует также отметить, что все эти процессы взаимосвязаны и неотделимы друг от друга, изучение микробиологических процессов является ключом к пониманию любых превращений, а также к разработке способов и приемов регулирования этих процессов.

Литература

1.    Бесподстилочный навоз и его использование для удобрения. Предисл. и перевод с нем. П.Я. Семенова, М.: Колос, 1978. – 272 с.
2.    Биотехнология микроорганизмов в сельском хозяйстве. Сборник научных трудов. Изд-во МГСХА им. Тимирязева. М.: 1989. – С. 76-80.
3.    Биотехнология переработки отходов животноводства и птицеводства в органическое удобрение/ А.Ю. Винаров, А.А. Кухаренко, Т.В. Ипатова, Б.В. Бурмистров. - М.: ФИПС, 1998. – 114с.
4.    Выворова Е. Ф. Микробиологические процессы, протекающие при хранении навоза. - Омск, Омский СХИ, 1972. – 13 с.
5.    Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии/ Учебное пособие для студентов. – М.: Мир, 2006. – 504 с.
6.    Лобанок, А.Г. Биотехнология сельскому хозяйству/ А.Г. Лобанок, М.В. Залашко, Н.И. Анасимова и др.; Под ред.А.Г. Лобанка., Мн.: Ураджай, 1988. – 199 с.
7.    Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Колос, 1978. – 351 с.
8.    Мишустин Е. Н., Термофильные микроорганизмы в природе и практике. – М.,Л. АН СССР, 1950. – 391 с.

Источник - ВЕСТНИК МИЧГАУ, научно-производственный журнал, 2010, № 1,  Печатная версия.