Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические особенности разложения в черноземе типичном жомодефекатных компостов и их влияние на показатели продуктивности почв

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические особенности разложения в черноземе типичном жомодефекатных компостов и их влияние на показатели продуктивности почв"

005535370

на правах рукописи

4

Кузнецов Алексей Егорович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ В ЧЕРНОЗЕМЕ ТИПИЧНОМ ЖОМОДЕФЕКАТНЫХ КОМПОСТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОДУКТИВНОСТИ ПОЧВ

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 7 ОКТ 2013

005535370

на правах рукописи

Кузнецов Алексей Егорович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ В ЧЕРНОЗЕМЕ ТИПИЧНОМ ЖОМОДЕФЕКАТНЫХ КОМПОСТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОДУКТИВНОСТИ ПОЧВ

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии естественно-географического факультета Курского государственного университета

Научный руководитель: Проценко Елена Петровна,

доктор сельскохозяйственных наук, Курский государственный университет, профессор

Официальные оппоненты: Мазиров Михаил Арнольдович,

доктор биологических наук, Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К. А. Тимирязева, профессор

Зубкова Татьяна Александровна

доктор биологических наук, МГУ им. М.В. Ломоносова, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Курский НИИ агропромышленного производства

Защита состоится «» ноября 2013 года в//^ часов на заседании диссертационного совета ДМ. 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, аудитория 335).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

Автореферат разослан «_»_2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических ^"¿г. наук, доцент

О.Н. Сахно

Общая характеристика работы

Актуальность. Утилизация отходов сахарной промышленности, в частности свекловичного жома становится в настоящее время важной экологической проблемой.

Сахарная отрасль относится к материалоемким и энергоемким видам производства, в которых объем сырья и вспомогательных материалов в несколько раз превышает выход готовой продукции. При среднем выходе сахара 10 - 12 % к массе переработанной свеклы образуется около 83 % свежего свекловичного жома, 12 % фильтрационного осадка, (дефеката) 350 % сточных вод, около 10% свекловичного «боя» и хвостиков.

Основным побочным продуктом при получении сахара из свеклы является жом. В 90-е годы 20-го столетия 35 - 40 % его использовалось в свежем виде на корм скоту, 30 % жома высушивали, остальной жом скисал прямо в заводских хранилищах, теряя при этом до 30 % своей кормовой ценности и образуя еще один отход - жомокислую воду и твердую фракцию, подвергающуюся маслянокислому брожению. В настоящее время в связи с отсутствием потребности животноводства в кормах жом становится многотонажным опасным отходом, загрязняя масляной кислотой почвы и водоемы. Свежий жом в настоящее время в ряде хозяйств запахивают, используя его как растительные остатки (Антименкова, 2005; Житин, 2007). Однако, такой прием возможен в весьма ограниченные календарные сроки: сахарные заводы в РФ начинают работу в сентябре-октябре, в то время как в конце ноября во многих свеклосеющих районах наступают морозы, поэтому отходы жома лежат до весны в мерзлом состоянии. С наступлением весны многотонажные отходы (на среднем сахарном заводе Курской области скапливается 150-200 тыс. тонн жома) через 3-4 недели подвергаются маслянокислому брожению, распространяя потоки масляной кислоты, поступающие в водоемы.

Поскольку в настоящее время в Курской области функционирует 10 сахарных заводов, вопрос утилизации их отходов становится весьма актуальным.

Таким образом, наиболее актуальными вопросами экологической безопасности сахарного производства на сегодняшний день является степень утилизации такого отхода как свекловичный жом. Возможность утилизации кислого жома с помощью его обезвреживания методом компостирования с последующим применением на черноземах практически не изучена.

Цель работы. Определить токсичность отходов сахарного производства методами биотестирования, изучить экологические особенности их разложения в черноземных почвах в виде компостов, и возможность применения жомодефекатных компостов в сельскохозяйственном производстве на черноземных почвах для увеличения продуктивности и качества урожая сельскохозяйственных культур.

Задачи исследований:

1. Определить токсичность жома и дефеката методом бнотеетнрования с помощью разных групп организмов.

2. Оптимизировать состав органического компоста на основе жома и дефеката.

3. Определить агрохимические и физико-химические свойства органических компостов

4. Изучить микробный состав жомодефекатного компоста и микробный состав черноземных почв

5. Изучить воздействие применения компостов на черноземе типичном на продуктивность и качество урожая сахарной свеклы и ячменя.

Научная новизна. Впервые изучена токсичность разных отходов сахарного производства методами бпотестирования с помощью разных групп организмов, расширены представления о микробной сукцессии при разложении отходов сахарного производства. Изучены физико-химические свойства компостов на основе жома и дефеката, изучены возможности их применения на черноземных почвах для улучшения показателей плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур.

Практическая значимость. Впервые представляется способ изготовления и использования жомодефекатных компостов как для утилизации многотонажных отходов сахарной промышленности, гак и для улучшения свойств почв (Заявление о выдаче патента на изобретение, per № 2012148028 от 12.11.2012). Жомодефекатные компосты могут стать основой для получения ценного органического удобрения, применяемого хтя улучшения показателей плодородия почв. Результаты исследований позволят подойти к разработке промышленных методов использования кислого жома совместно с дефекатом. что снизит риск загрязнения окружающей среды сахарными заводами.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Проценко Елене Петровне за постоянную консультационную помощь в работе. Особую благодарность автор выражает доктору биологических наук профессору МГУ Верховцевой Надежде Владимировне за возможность выполнения микробиологических исследований. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры обшей биологии и экологии КГУ, оказавшим помощь в работе.

На защиту выносятся следующие положения:

I Отход сахарного производства - кислый жом, утративший

потребительские качества по результатам биотестирования является

отходом 3 класса опасности, что препятствует его использованию в качестве мелиоранта.

2. Кислый жом совместно с дефекатом могут утилизироваться при помощи предварительного компостирования с использованием биологического активатора - закваски из каныги, вермивомпоста и вытяжки из чернозема, что подавляет уксуснокислое и маслянокислое брожение.

3. Компосты из кислого жома и дефеката при разложении их в черноземе типичном способствуют улучшению показателей его плодородия.

4. Компосты из кислого жома и дефеката при применении их на черноземах способствуют повышению урожайности и качества сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на научно-практических конференциях Курского отделения МОО «Общество почвоведов имени В.В .Докучаева» «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия» (Курск, 2011) и «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» (Курск, 2012); на Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты естественных и математических наук» (Новосибирск, 2012); на Международной научной конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ» (Переяславль-Хмельницкий (Украина), 2013); на Международной научной конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных

работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 120 страницах компьютерного текста, включает 20 таблиц и 9 рисунков. Состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений. Библиографический список включает 162 наименования, в том числе 18 наименований зарубежных авторов.

Содержание и основные результаты работы

Глава 1. Экотокснкологнческие свойства отходов сахарного производства, особенности их утилизации и использования (литературный обзор)

В главе описываются физико-химические свойства и химический состав основных отходов сахарного производства Отмечается, что одним из основных проблемных отходов сахарных заводов является свекловичный

жом, который представляет из себя выщелоченную свекловичную стружку, почти полностью лишенную сахара (Притыкина, Кисина, 1963, 1965; Белостоцкий и др., 1988; Инструкция по ведению...,1994; Демина и др., 2006; Славянский, 2006). В состав жома входят пекпшовые вещества, клетчатка, гемицеллюлоза, имеется также небольшое количество белка, минеральных веществ и сахара. При развитии молочнокислого брожения жом приобретает приятный запах и вкус моченых яблок, цвет его становится светлым. В том случае, если жом не защищен от доступа воздуха и атмосферных осадков, он постепенно портится, в нем развиваются маслянокислые и гнилостные бактерии, приводящие к большим потерям питательных веществ, вплоть до полной порчи продукта, когда появляется очень неприятный запах маслянокислого брожения. Такой жом становится загрязнителем окружающей среды (Демина и др., 2006). В главе также рассматривается возможность применения отходов сахарного производства для компостирования, рассматриваются микробиологические аспекты компостирования.

Глава 2. Объекты и методы исследований

В главе описываются погодно-климатические и почвенные условия района исследований, а также методы исследований и схемы опытов.

Среднемноголетнее значение годового количества атмосферных осадков составляет 550 мм, среднемесячная температура наиболее холодного месяца (январь) составляет - 8,6 °С, самого теплого (июль) - +19,3 °С (Агроклиматические ресурсы Курской области, 1985). В годы исследований (2010-2012) погодные условия сложились неоднозначные: 2010 г был аномально жарким и засушливым, в то время как 2011 год - сравнительно благоприятным по условиям увлажнения и температуры для сахарной свеклы, а 2012 год - для культуры ячменя.

Лабораторные исследования, посвященные изучению физико-химических свойств, а также исследования по биотестированию проводились в аккредитованной лаборатории мониторинга объектов окружающей среды Курского государственного университета Полевые исследования по испытанию компоста, а также изучение влияния внесения компостов на урожай и качество сахарной свеклы и ячменя проводили в ООО «Хлебороб» Золотухинского района Курской области.

Исследования проводились в нескольких направлениях: исследовалась токсичность отходов сахарного производства - жома, фильтрационного осадка (дефеката), дефекационной грязи, а также компостов, изготовленных из данных отходов.

При проведении полевых и лабораторных исследований использовались общепринятые методики и ГОСТы. Определялись следующие показатели: гумус - по Тюрину (ГОСТ 26213-91); азот щелочногидролизуемый — по Корнфилду; pH - в 1,0 Н KCl вытяжке (ГОСТ 26483-85); гидролитическая кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91);

сумма поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); фосфор подвижный - по Чирикову (ГОСТ 26204-91); калий подвижный - по Чирикову (ГОСТ 26204-91); нитратный азот почвы - колориметрическим методом с дисульфофеноловой кислотой (по Грандваль-Ляжу); аммонийный азот почвы в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26489); нитрификационная способность почв - методом Кравкова в модификации Болотиной и Абрамовой.

Определение содержания гумуса представлялось в ряде случаев затруднительным: по методике Тюрина в образцах должны отсутствовать негумифицированные остатки, однако, удаление всей массы негумифицированных остатков жома не всегда является полным, поэтому содержание гумуса (по углероду) исходно может бьггь несколько завышенным, с чем ранее сталкивались другие исследователи, в частности, при разложении отходов пуха в почве (Клеева, 2010).

Микробиологические исследования проводились с применением газо-хроматографического-масс-спектрометрического метода пробы анализировались с помощью хромато-масс-спектрометра НР-5973 SMART фирмы Agilent Technologies (США) на базе лаборатории кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ им. Ломоносова

При изучении микробоценоза опытных образцов использовали метод масс-спектрометрии микробных маркеров - жирных кислот (ЖК) и высших жирных гидрооксикислот, а также некоторых жирных альдегидов, которые встречаются исключительно у бактерий. К настоящему времени состав жирных кислот большинства микроорганизмов изучен, показана его воспроизводимость, доказана родо- и видоспецифичностъ ЖК (Верховцева Н.В. и др., 2002; Верховцева Н.В., Осипов Г.А., 2008).

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с применением стандартных программ.

Для выполнения поставленных задач были заложены следующие опыты.

Опыт 1 (лабораторный).

Цель опыта: методом биотестирования изучить воздействие свежего жома и дефеката на развитие растений ячменя.

Опыт выполнялся в лабораторных условиях. Использовался чернозем типичный с добавлением компоста из дефеката и свежего (или кислого) жома Ингредиенты помещались в специальные пластиковые сосуды (лотки). Почва с добавлением компоста из дефеката и жома (свежего или кислого) насыпалась в специальные пластиковые сосуды (лотки, вместимостью 800 г), куда высаживались семена ячменя сорта «Скарлетт», и оставлялись для прорастания при постоянном поддержании оптимальной температуры и влажности в термостате (27° С). После появления всходов сосуды выставлялись в световой шкаф для полноценного развития проросших растений. Влажность почвы поддерживалась на уровне 25-27% от сухой массы. На 7-е сутки определяли процент всхожести семян, на 14-е сутки длину проростков и корней ячменя. Опыт закладывался в трехкратной

повторности, проводился в двух сериях и состоял из 2-х вариантов:

Первая серия (свежий жом): 1-й вариант (контроль - чернозем); 2-й вариант 50% - чернозем; 25% - свежего жома и 25% - сухого дефеката (фильтрационного осадка).

Вторая серия (кислый жом): 1-й вариант (контроль - чернозем); 2-й вариант 50% - чернозем; 25% - кислого жома и 25% - сухого дефеката (фильтрационного осадка).

Опыт 2 (лабораторный).

Цель опыта: в лабораторных условиях оптимизировать состав жомодефекатных компостов.

Опыт выполнялся в пятикратной повторности, ингредиенты помещались после тщательного перемешивания в вегетационные сосуды, закрывались фильтровальной бумагой и в течение 4-недель содержались в термостате при температуре 27° С. Схема опыта:

1-й вариант (соотношение жома и дефеката 1:1) - 300 г жома + 300 г дефеката +10 г СаО+10 г биогумуса;

2- й вариант (соотношение жома и дефеката 2:1) - 400 г жома + 200 г дефеката +10 г СаО+10 г биогумуса;

3-й вариант (соотношение жома и дефеката 3:1) - 450 г жома + 150 г дефеката +10 г СаО+10 г биогумуса.

Опыт 3 (полевой).

Цель опыта: создать в полевых условиях жомодефекатный компост, полученный на основе кислого жома, потерявшего потребительские свойства, изучить его свойства Опыт закладывался на типичных черноземах в ООО «Хлебороб» Золотухинского района Курской области.

Ингредиенты компоста помещались в яму квадратной формы со стороной 3 м. Компост закладывался следующим образом: жом предварительно обрабатывался известковым молоком (раствор негашеной извести в воде) из расчета 3 % СаО по отношению к сухому жому. Затем слои жома (10-15 см) пересыпались сухим дефекатом (фильтрационным осадком) и проливались микробной «закваской», выращенной на каныге (вареное сено) с добавлением сухого биогумуса и вытяжки из целинного типичного чернозема (Заявление о выдаче патента на изобретение, per. № 2012148028 от 12.11.2012).

Доступ атмосферной влаги был свободным. Компост выдерживался в течение 3-х месяцев. Готовый компост использовался в опыте 4.

Опыт 4 (полевой).

Цель опыта: в звене зернопаропропашного севооборота изучить влияние внесения жомодефекатного компоста под посевы сельскохозяйственных растений на свойства почв и продуктивность культур.

Опыт выполнялся в ООО «Хлебороб» Золотухинского района Курской области по полнофакторной схеме З3 (табл. 1). Изучались два фактора-внесение компоста на трех уровнях (0 - контроль; 1 - доза 1 От/га и 2 - доза

20 т/га) и внесение минеральных удобрений на 3-х уровнях: (0 - контроль; 1 -внесение 1МРК (одна доза); 2- внесение ИРК (две дозы).

Компост был получен по авторской методике. Опыт выполнялся в 3-х кратной повторности. Дозы минеральных удобрений в зависимости от культуры составляли:

для сахарной свеклы: 0 - контроль; 1 - КроРэоКэо; 2- КГиоРщКш для ячменя: 0 - контроль; 1- ЫзоРзоКзо; 2- ИбоРбоК«).

Таблица 1. Схема полевого опыта по изучению применения жомодефекатного компоста и минеральных удобрений

№ варианта Фактор А (компост) ФакторВ (минеральные удобрения)

1 0 без компоста 0 без удобрений

2 0 без компоста 1 1 ДОЗа КсюРэдКдо

3 0 без компоста 2 2 дозыМшР18оКш

4 1 1 От/га 0 без удобрений

5 1 1 От/га 1 1 доза N«^9(^90

6 1 Ют/га 2 2 дозыЫвоРнюКш

7 2 20 т/га 0 без удобрений

8 2 20 т/га 1 1 доза ЫзоРэоКэд

9 2 20 т/га 2 2 дозы1\ГшР18оКш

Глава 3. Проблемы фитотестирования малоопасных отходов сахарного производства

Использование высших растений в биотестировании отходов сахарного производства

Биотестирование считается эффективным методом оценки потенциальной опасности химического, физического или биологического воздействия на природные среды, в том числе почву (Биологический контроль окружающей среды..., 2008). По данным Федерального классификационного каталога отходов фильтрационный осадок сахарного производства «сахарный дефекат» имеет классификационный номер 314 0130608995, в соответствии с ним данный отход относится к группе отходов известняка и доломита, по агрегатному состоянию - сыпучий, без опасных свойств, относится к 5 классу опасности для окружающей природной среды. Однако в условиях производства дефекат может быть загрязнен свекольными отходами и частицами почвы, представляя собой так называемую дефекационную грязь, класс опасности которой неопределен, поскольку зависит от ее состава. В то же время свежий свекловичный жом, являясь кормом для животных и сырьем для пищевой промышленности (производство пектинов и т.д.), не имеет класса опасности. Однако кислый

жом как продукт микробного разложения может быть токсичным для живых организмов. Поэтому мы поставили задачу изучить токсичность данных отходов. Кислый жом отбирался из жомовых ям, а дефекационная грязь отбиралась на полях фильтрации и исследовалась послойно. Необходимо отметить, что в изучаемых образцах свекловичного жома и сахарного дефеката содержание тяжелых металлов-ксенобиотиков находится в пределах ПДК.

Согласно международному стандарту ISO 11269-2 в качестве тест-растений необходимо выбирать минимум два вида растений, при этом одно должно быть однодольным, а другое двудольным (О.В. Лисовицкая, В.А. Терехова, 2010; G. Persoone, 2005). Поэтому как тест-культуры нами были выбраны: однодольное растение - овес посевной (Avena sativa L ), двудольное растение - редис посевной (.Raphanus sativus L.). Как тест-реакции учитывали энергию прорастания семян, длину проростка и длину корня. Биотестирование каждой пробы проводилось в 3 кратной повторности.

Фильтрационный осадок (сахарный дефекат). Для установления степени токсичности проб дефеката (дефекационной грязи) по каждой тест-функции для каждого тест-организма нами был рассчитан фитоэффект. По международным стандартам ISO 11269-1 и ISO 11269-1 установленная процентная величина фотоэффекта, в случае угнетения на 20% и более по отношению к контролю, соответствует определяемой интегральной токсичности.

Результаты первого этапа (через 4 сут.) оценки токсичности дефеката методом фитотестирования с учетом как тест-функции энергии прорастания Avena sativa и Raphanus sativus, а также установленный фитоэффект для данных тест-культур представлены в таблице 2.

Таблица 2. Средние значения энергии прорастания Avena sativa и Raphanus sativus, фитоэффекта по тест-функцни при фитотестированни дефекационной грязи

Вариант Энергия прорастали я Avena sativa, % Фитоэффек т Avena sativa, % Энергия прорастания Raphanus sativus, % Фитоэффект Raphanus sativus, %

Контроль -вода 92,67 0 93,33 0

Дефека- 0-10 см 70,33* -24,1 99,33* 6,4

ционна я 10-20 см 60,0* -35,3 99,33" 6,4

грязь, глубина отбора 20-30 см 99,0" 6,8 98,67* 5,7

средние значения тест-реакций достоверно отличающиеся (Р=0,05) от контроля, на основании расчета ^критерия (критерия Стьюдента).

По результатам фитотестирования водных вытяжек образцов дефеката, с использованием в качестве тест-культуры Avena sativa, установлено, что водная вытяжка образца дефекационной грязи, отобранного с глубины 0-10 см достоверно, по отношению к контролю, снижает энергию прорастания семян на 24%, тогда как водная вытяжка образца с глубины 10 - 20 см достоверно, по отношению к контролю, снижает энергию прорастания семян на 35%.

В то же время водная вытяжка образца с глубины 20 - 30 см достоверно, по отношению к контролю, увеличивает энергию прорастания примерно на 7%.

В ходе фитотестирования, с использованием в качестве тест-культуры Raphanus sativus, отмечено, что водные вытяжки каждого образца дефеката достоверно, по отношению к контролю, увеличивают энергию прорастания семян в среднем на 6 %.

Достоверных изменений длины проростка и корня для овса и редиса, относительно контроля, при действии водных вытяжек образцов дефекационной грязи, отобранных с глубины 0 - 10 см и 10 — 20 см не установлено. При действии водной вытяжки образца, отобранного с глубины 20

- 30 см отмечена достоверная стимуляция. В ходе эксперимента также установлена достоверная стимуляция роста проростков и корней, в среднем на 143% и 77% соответственно. Фитоэффект, рассчитанный по данным длины проростка и длины корня как Raphanus sativus так и Avena sativa, также не показал токсичности проб дефеката

По данным расчёта фитоэффекта с учетом как тест-функции энергии прорастания видно, что образцы дефеката отобранные с глубины 0 - 10 см и 10

- 20 см токсичны для Avena sativa, поскольку согласно международным стандартам ISO 11269-1 и ISO 11269-1 проба считается токсичной, если процентная величина фитоэффекта составляет от 20% до 50%. Фотоэффект, рассчитанный по энергии прорастания Raphanus sativus не указал на токсичность проб дефеката Таким образом, анализируя данные по расчету фитоэффекта можно сказать, что пробы, отобранные с глубины 0 - 10 см и 10 - 20 см токсичны (фитоэффект составил -24,1% и 35,3% соответствеено), наиболее чувствительной тест культурой является овес посевной (Avena sativa L.), а наиболее чувствительной тест-функцией — энергия прорастания семян. Угнетающе на растения овса действует только нативная вьггяжка, дальнейшее разбавление ее в 10 раз токсичности не показывает. Поэтому дефекационная грязь по результатам фитотестирования может быть отнесена к отходам 4 класса опасности.

Использование гидробиошпов в биотеапирошнии отходов сахарного производства

В качестве тест-организмов для определения класса опасности дефеката и

дефекационной грязи мы использовали также зеленые водоросли Chlorella vulgaris, ресничные инфузории-туфельки (Paramecium caudatum) и планктонные рачки дафнии (Daphnia magna), которые наиболее часто используются при тестировании водных объектов.

Исходные вытяжки из отходов сахарной промышленности по разному повлияли на состояние тест-культур гидробионтов, выбранных для исследования (табл. 3). Острое токсическое действие дефекационной грязи проявилось только по отношению к Daphnia magna, наблюдалась полная гибель культуры. Paramecium caudatum оказались нечувствительны к действию данного отхода. Действие отхода на одноклеточные зеленые водоросли привело к незначительному увеличению их биомассы по сравнению с контролем, но значения тест-функции не принимали пороговых значений.

Экстракт выщелачивания дефекационного осадка не вызвал изменений в культурах тест-организмов, превышающих предельные значения.

В связи с отсутствием выраженного влияния водных экстрактов отходов на Paramecium caudatum исследование влияния разведений экстрактов отходов проводили для Daphnia magna - для определения эффективной и полулетальной концентраций и для Chlorella vulgaris — для выявления возможного увеличения численности более чем на 30% по сравнению с контролем.

При разведении экстракта дефекационной грязи в 10 и 100 раз наблюдается снижение смертности дафний, однако токсический эффект отсутствует только при условии 100-кратного разведения. Разведение водного экстракта дефекационной грязи в 10 раз вызывает достоверное увеличение численности клеток водорослей практически в 2 раза (Р=0,05; W=2,78; W=4,07).

Таблица 3. Показателя тесг-реакцнй гидробионтов при воздействии исходных водных вытяжек отходов сахарного производства

Тест-организм (тест-реакция) Дефекационная грязь Дефекат (фильтрационный осадок)

Daphnia magna (смертность, %) 100 5±0,9

Paramecium caudatum (смертность, %) 0 2,7±1,3

Chlorella vulgaris (отклонение прироста биомассы от контроля, %) +11,4*0,7 +10,1±1,3

При дальнейшем разведении прирост биомассы водорослей

практически не отличается от контрольного варианта. При воздействии экстракта дефеката численность водорослей линейно снижается.

Регрессионный анализ данных проводили по матрице, полученной на основе смертности Daphnia magna (табл. 4), результаты представлены на рисунке 1. Таким образом, влияние водных экстрактов отходов сахарного производства на гидробиотные организмы различных трофических групп показывает их неоднозначные реакции на такой вид воздействия. Основываясь на полученных нами экспериментальных данных, можно предположить различные варианты развития событий при условии попадания компонентов дефекационной грязи в водную экосистему. Дефекационная грязь может попадать в водные объекты непосредственно, в результате смыва атмосферными осадками или через грунтовые воды.

Таблица 4. Матрица для определения предельных концентраций экстракта выщелачивания дефекационной грязи для Daphnia magna

Концентрация igc Смертность, % Значения

экстракта, С пробитое

1 0 100 7,33

1:10 1 30 4,48

1:100 2 5 3,35

Результаты наших исследований по влиянию водного экстракта сахарного дефеката на Chlorella vulgaris, Paramecium caudatum и Daphnia magna подтверждают степень опасности данного отхода:

C=lOLgC

ьвс

Рис. 1. Линия и уравнение регрессии в пробитной системе координат для смертности дафний при воздействии кратных концентраций водного экстракта дефекационной грязи.

исходная водная вытяжка не оказывает значительного негативного воздействия на данные организмы в лабораторных условиях, то есть 5 класс опасности дефеката подтверждается.

Поскольку в Федеральном классификационном каталоге отходов дефекационная грязь как отход не зарегистрирована, опираясь на данные наших исследований этот отход можно отнести к 4 классу опасности для окружающей среды, так как Токсический эффект отсутствует при разведении исходного экстракта в 100 раз (при учете реакции наиболее чувствительного тест-организма - Daphnia magna). Таким образом, результаты фитотестирования и биотестирования гидробионтов совпадают: дефекационная грязь имеет 4 класс опасности.

Определение фитотоксичности жома. Определение фитотоксичности кислого жома проводили для тех же тест-культур, что и дефекат. Необходимо отметить, что семена Avena sativa в нативной вытяжке вообще не проросли, в то время как семена Raphanus satívus через 6 дней дали корни, средняя длина которых составила 0,6 см (при длине на контроле 3,03 см). Поскольку при тестировании овса посевного Avena sativa нативный раствор из кислого жома показал 100% гибель растений (отсутствие корня и проростка), исследование продолжили с дальнейшим разбавлением в 100 и в 1000 раз (рис.2).

Завпсимость LgR=f(ET) - логарифм разведения вытяжки

Рисунок 2. Зависимость фитоэффекта корня овса Avena sativa от логарифма разведения экстракта.

Согласно уравнению регрессии, приведенному на рис. 2 и ГОСТ Р ИСО 22030-2009 и Методическим рекомендациям МР 2.1.7.2297-07 (разведение экстракта, вызывающее фотоэффект = 50 %), при 1Ж50, равном 6,3, кислый жом следует относить к 3 классу опасности. Таким образом, такие отходы требуют утилизации на полигонах. Вместе с тем, химический состав жома кислого и дефекационной грязи показывает отсутствие веществ, которые являлись бы неразлагаемыми токсикантами, в концентрациях, превышающих ГТДК.

Глава 4. Оптимизация состава жомодефекатных компостов Физико-химические свойства компостов из отходов сахарной промышленности

Предлагаемый способ компостирования отходов (Глава 2) позволяет повысить интенсивность процессов ферментации и получить компост приемлемого качества даже с использованием жома, подвергшегося масляно-кислому брожению и представляющего опасность для окружающей природной среды. Как следует из таблицы 5, физико-химические свойства изучаемых компостов соответствуют довольно высоким показателям агрохимического состояния почв.

Содержание аммонийного азота также соответствует почвенным показателям в черноземах, в то время как содержание нитратов по сравнению с показателями черноземных почв повышено на порядок. Особенно высокое содержание нитратов характерно для варианта компоста №3 (55,7 мг/ЮОг). При этом содержание щелочногидролизуемого азота в данном компосте является оптимальным, приближаясь по значениям к почвам целинных объектов заповедника. Содержание гумуса (углерода) в компостах несколько ниже, чем в черноземных почвах. Реакция среды в связи с добавлением щелочных реагентов (актуальная кислотность) несколько сдвинута в щелочную сторону, гидролитическая кислотность также понижена.

Наиболее удачным по физико-химическим свойствам является первый вариант, с соотношением жома и дефеката 1:1, поскольку другие варианты с большим содержанием органического вещества жома показали при разложении очень большой выход нитратного азота (табл. 5). Хотя в черноземных почвах наблюдается острый дефицит подвижных форм нитратного азота, внесение компоста с его повышенным содержанием нецелесообразно с экологических позиций, поскольку потери и загрязнение природной среды неизбежны.

Надо отметить, что почва целинной косимой степи по содержанию подвижных форм фосфора и калия уступает почвам старопашки. Однако это не связано с «обеднением» целинных почв фосфором и калием. По-видимому, в данном случае оценивать плодородие по подвижным формам нецелесообразно. Среднее содержание в целом по всему корнеобитаемому слою доступных форм фосфора и калия в почвах косимой степи составляет 8,3 мг\100г почвы, в то время как в почвах на поле (старопашка) - 13,4

мг\100г почвы. В Стрелецкой степи в годичном биологическом круговороте в среднем участвуют 1302 кг/га зольных элементов и 179 кг/га азота (Лебедева, Семина, 1974), в связи с частичным отмиранием опада, в течение вегетации химические элементы неоднократно мигрируют в системе почва-растение, то есть подвижные формы фосфора и калия усваиваются растениями в момент образования. Под степной растительностью огромное количество (до 300 кг\га) фосфора и калия удерживается биомассой растений степи, которые при распашке целины и разложении корневой массы переходят в подвижное состояние (Проценко и др.,2011).

Содержание, как фосфора, так и калия в верхних слоях в почвах поля (старопашка) является по шкале, принятой в агрохимии (Минеев, 2001) высоким (более 15 мг\ 100 г почвы или очень высоким более 20 мг\ 100 г почвы). Необходимо отметить, что по подвижным формам фосфора и калия жомодефекатные компоста в 4-9 раз превосходят их содержание в черноземных почвах, что делает их ценным удобрением.

Микробные сукцессии, происходящие в жомодефекатном компосте

Состав микробного сообщества определяли молекулярным методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии (ГС-МС). Анализ проводили на ГХ-МС системе НР-5973 Аджилент технолоджис (США) на кафедре агрохимии МГУ. Метод позволяет по химическим компонентам жирно-кислотного состава клеточных стенок бактерий, так называемым маркерам, и математическому соотнесению их с имеющимся банком данных по этому показателю для бактерий, в том числе актиномицетов, а также для микроскопических грибов, определять состав и структуру сообщества микроорганизмов. Учитывается содержание, как живых, так и мертвых клеток микроорганизмов.

Компост содержит достаточно высокое общее количество микробов -3,7 *107 кл/г воздушно-сухой почвы. Видовое разнообразие микробоценоза достаточно велико - 38 видов микроорганизмов, относящихся к четырем филумам, приближаясь по этому показателю к черноземам (табл. 6).

Так же как и в почвах, в компосте доминируют представители филума ПШНСиТЕЯ. В компосте представлены облигатно и факультативно анаэробные виды. Наблюдается доминирование Ви^угМЬгю (46 % в филуме).

Облигатные (строго анаэробные) представители этого рода метаболизируют пентозы и гексозы до летучих жирных кислот - масляной и уксусной кислот.

Таблица 5. Физико-химические свойства компостов и черноземных

почв

и О о КОМПОСТЫ 120,5 90,8 89,3 ПОЧВЫ ю оГ 1—( 21,5

и о 2 сч рц Я оо^ сГ 00 сл 1—< 00 71,3 1—4 ел 19,4

и 2,96 «о о ЧО 1,44 2,67

ы- N03, мг/100г 17,4 21,8 ч-Г «л ю о" го"

N щел.ги д. мг/100г сп 1—1 1—С V? 22,8 24,9 оГ т—1

Общий гумус, % ю сч 3,34 Р VI оо" V© «

Нг мг-экв/100 г 0,26 0,23 го о" «о СП «—1 <гГ

£ - со 00~ оо" Оч Г-" чо и-Г «"Г

Соотно шение жом: дефекат Г-Н г—1 сЧ 1 ■

Объект (компост или почва) Жом, СаО, дефекат, каныга, биогумус Жом, СаО, дефекат, каныга, биогумус Жом, СаО, дефекат, каныга, биогумус Чернозем типичный целинный Чернозем типичный (старопашка)

- «ч О •Г)

Таблица 6. Основные группы микробного комплекса и их численность в черноземе типичном и жомодефекатном компосте

№ Основные филумы микроорганизмов Численность микроорганизмов, хЮ6 кл/г воздушно-сухой почвы

Объекты Исходная почеа (чернозем типичный) Компост ясомодефекатный Исходная почет-компост

1. PROTEOBACTERIA 14,24 4,34 16,2

2. A CTINOBA CTERIA 7,66 7Д4 7.81

3. FIRMICUTES 54.4 23,71 60.24

4. BACTEROIDETES 1,74 1,87 1,84

5. FUNGI 16,4 21,11 18,30

Следовательно, представители рода Butyrivibrio влияют на окислительно-восстановительный потенциал, а также обогащают почву необходимым для дальнейших биосинтезов ацетатным радикалом. Второй доминирующий вид Acetobacterium sp (21% в филуме). Относительно этого вида известно, что это строгие анаэробы, окисляющие Нг и восстанавливающие СОг (т.е. хемолитоавтотрофы) с образованием уксусной кислоты. Кроме того, они способны к хемоорганотрофии - сбраживают фруктозу, а некоторые виды глюкозу и спирты - этанол, глицерол - также с образованием уксусной кислоты в достаточно высокой концентрации. Это способствует локальному подкислению почвенной среды и переводу нерастворимых соединений фосфора в доступное для растений состояние. Третий по численности вид в филуме FIRMICUTES- Rumirtococcus sp. (17 % в филуме) - облигатно анаэробный вид, обладающий «мощным» гидролитическим комплексом относительно углеводных полимеров. В отличие от компоста данный вид преобладает в почвах.

В небольшом количестве в филуме FIRMICUTES показано присутствие Clostridium perfringens. В почвенной экологии он показан как широко распространенный. Осуществляет ферментативную нитратредукцию - восстанавливает нитрат (в анаэробной дыхательной цепи) до аммиака, подщелачивая среду.

В компосте в значительных количествах (0,46x10 кл/г ) присутствуют виды рода Nitrobacter sp. (филум PROTEOBACTERIA), которые относятся к нитрификаторам П фазы, т.е. осуществляют процесс окисления NO2 ~ до NO3, что является необходимым этапом цикла азота и снижает количество аммиачного азота, который при избытке может быть токсичным). При этом происходит мобилизация труднодоступных соединений фосфора и калия в почве, улучшается поглощение этих элементов растениями. Поэтому при внесении в почвы этот вид, по-видимому, играет важную роль в азотном, фосфорном и калийном питании растений.

Микроскопические многоклеточные грибы (Fungí) - усиливают

потенциальные процессы разложения органического вещества.

Таким образом, компост в микробиологическом аспекте представляет собой субстрат, имеющий потенциальные возможности для повышения питательного статуса почвы в отношении азота (азотфиксация и нитрификация), фосфора и калия (мобилизация элементов из труднодоступных соединений). После внесения компоста (исходная почва + компост, табл. 6) микробный состав мелиорированной почвы близок к исходной, но несколько более обогащен микроорганизмами.

Глава 5. Использование жомодефекатного компоста для повышения почвенного плодородия

Для закладки компоста в производственных условиях было подготовлено около 3 тонн компоста, изготовленного по авторской методике, предложенной Проценко Е.П., Кузнецовым А.Е. и др. Компост закладывался в конце мая 2010 года после серии лабораторных испытаний получаемого продукта на токсичность для растений и зоологических объектов. Основой компоста явился кислый жом, СаО, дефекат, каныга, биогумус. Основной целью опыта была проверка полученного продукта в полевых условиях на отсутствие токсичности для высших растений в производственных условиях. Способ приготовления жомодефекатного компоста включает смешивание свекловичного жома естественной влажности с негашеной известью в соотношении 20:1 с целью нейтрализации масляной и уксусной кислот; добавлении сухого дефеката или дефекационной грязи (отход сахарных заводов), в соотношении 1:1 к жому по массе с последующим внесением биоактиватора и аэробным компостированием в широком диапазоне температур от 20 до 50°С и влажности 50-70% в течение 2 месяцев. При этом в качестве биоактиватора использовали компостную закваску, приготовленную способом культивирования на свекловичной каньте (с добавлением разнотравья) консорциума микроорганизмов, культивируемых из хорошо обогащенного микроорганизмами вермикомпоста и целинного чернозема, содержащего набор полезных почвенных микроорганизмов. Это позволяет повысить интенсивность процессов ферментации и компостирования и получить компост приемлемого качества даже с использованием жома, подвергшегося масляно-кислому брожению и представляющего опасность для окружающей природной среды. Таким образом обеспечивается утилизация органических отходов с помощью компостирования с получением продукта, улучшающего состав и плодородие почвы. При культивировании компоста в яме с добавлением закваски микроорганизмов наблюдался саморазогрев компостируемой массы до 48 С", то есть наблюдалась термическая стадия, с постепенным остыванием массы.

Дозы минеральных удобрений в опыте использовались, принятые для зоны под данные культуры. Минеральные удобрения способствуют более быстрому разложению органической массы жома.

Таблица 7. Влияние жомодефекатного компоста и минеральных удобрений на урожайность сахарной свеклы и ячмеия__

№ вариа нта Дозы компоста Дозы мин. уд. Урожай сахарной свеклы, т/га, 2011г Урожай ячменя, т/га, 2012г Прибавка, к контролю т/га,

сах. свекла ячмень

1 без компоста без удобрений 35,2 2,8 - -

2 без компоста 1 доза 38,7 3,7 3,5 0,9

3 без компоста 2 дозы 44.0 4,2 8,8 1.4

4 Ют/га без удобрений 42,3 3,5 7,1 0,7

5 Ют/га 1 доза 45,9 3,8 10,7 1

6 1 От/га 2 дозы 47,2 4,9 12 2,1

7 20 т/га без удобрений 35,3 3,2 0,1 0,4

8 20 т/га 1 доза 37.4 3,8 2,2 1

9 20 т/га 2 дозы 39,0 4.0 3,8 1,2

НСР05 2,4 0,3

Полевой опыт (опыт 2) был заложен по схеме, представленной в главе 2, где приводятся дозы минеральных удобрений для культуры сахарной свеклы и ячменя. Компост вносили после уборки озимой пшеницы в 2010 году под осеннюю обработку одновременно с внесением минеральных удобрений под сахарную свеклу. Под культуру ячменя после уборки сахарной свеклы компост не вносился, то есть воздействие компоста изучалось в последействии. В таблице представлены средние для каждого варианта значения урожайности пивоваренного ячменя сорта «Скарлетт» и сахарной свеклы сорта

Как следует из таблицы 7 доза компоста, 10 т/га в сочетании с минетальными удобрениями дает максимальную прибавку урожая сахарной свеклы, причем как двойная, так и одинарная доза удобрений дают с учетом НСРоз , практически одинаковый эффект (прибавка 10,7-12,0 т/га). При внесении 20 т/га компоста (без внесения минеральных удобрений и при 1 дозе минеральных удобрений) сахарная свекла не дала достоверной прибавки урожая по сравнению с контролем, за исключением варианта внесения двойной дозы удобрений, где она составила 3,8 т/га.

дозы

50 1 , J

4Í " J J * / \ UltB»|W№Mb[J

, " ' " ./ удобрений

40 -

35 30

J ■ , . -MSOPISOKleC-

с / N90F'90K90

■ —■ ,

контроль

% о

\ ^

>

дозы компосте

Рис.4. {ависимость урожая сахарной свеклы от доз компоста и минеральных удобрений.

Зависимость урожайности сахарной свеклы от доз компоста и минеральных удобрений выражается уравнением квадратичной регрессии

Y= 36,4 + 12,7*4, +2.9* Х3-6,9* (X,)2 при R*= 85.8 и V=0,0t,

Г де Y урожай сахарной свеклы, т/га; X¡ лозы компоста (0; 10 т/га,

20 т/га);'

X.) дозы минеральных удобрений 0- без удобрений; I - N*> Р<*> Кэд;

2- N,80 Piso Ьчао

Как представлено на рис л максимальный урожай сахарной свеклы - 47,2 т/га получен при сочетании 10 т/га жомодефекатного компоста и минеральных удобрений в дозе N|«„ Р^о К,»,, Однако, разница в урожайности между вариантами 1 и 2 доз минеральных удобрений в сочетании с компостом (варианты 5 и 6) недостоверна по НСР(>5 Урожай сахарной свеклы линейно связан с дозами минеральных удобрений и нелинейно (уравнение второго порядка) с дозами жомодефекатного компоста При этом оптимальная доза компоста составила 10 т/га.

При внесении компоста в сочетании с минеральными удобрениями под ячмень наибольший урожай был получен при дозе дефеката 10 т/га и дозе минеральных удобрений N6!)P6e К<)0. Зависимость также носит криволинейный характер и выражается уравнением регрессии следующего вида;

Y= 2.96 +0.95*Х| +0,6* X: - 0.45* (X,)2 при RJ= 78,3 и У=0.05

Где Y - урожай ячменя, т/га, X¡ - дозы компоста (0, 10 т/га; 20 т/га)

X¡ - дозы минеральных удобрений 0- без удобрений; 1 - N «, Р30 К-.у,

Наиболее высокая сахаристость корнеплодов сахарной свеклы наблюдалась при максимальных дозах компоста 20 г-га и средней дозе

минеральных удобрений N90 Р90 К«- Наименьшее содержание белка в пивоваренном ячмене (9,8 %) наблюдалось в варианте использования 20 т/га компоста, что связано с несколько меньшим содержанием в почве минерального азота.

ВЫВОДЫ

1. Кислый жом, подвергшейся уксуснокислому и маслянокислому брожению по результатам биотестирования с помощью высших растений, относится к 3 классу опасности.

2. Загрязненый сахарный дефекат в виде дефекационной грязи является по результатам фитотестирования с помощью высших растений, а также ракообразных, зеленых водорослей и простейших является отходом 4 класса опасности.

3. Отходы жома и дефеката подлежат утилизации с помощью метода компостирования, при обработке негашеной известью, с добавлением закваски из свекольно-травяной каныги, вытяжки из целинного чернозема и биогумуса.

4. Наиболее оптимальным соотношением при компостировании жома и дефеката является одинаковое по массе соотношение 1:1, поскольку при этом образуется компост с наиболее благоприятными для внесения в почву свойствами.

5. Полученный жомодефекатный компост обладает следующими физико-химическим свойствами: имеет слабощелочную среду, обогащен подвижными формами фосфора и калия, которых содержит в 8-10 раз больше, чем чернозем типичный (83,8 и 9,1 мг/на 100 г почвы фосфора и 120,5 и 12,6 мг/на 100 г почвы в компосте и черноземе соответственно); по содержанию щелочногидролизуемого азота и гумуса компост несколько уступает почвам, но по содержанию подвижных форм, особенно нитратного азота, превосходит черноземные почвы.

6. Полученный компост является приемлемым по микробному составу для внесения в черноземные почвы, поскольку масляно-кислое брожение жома в условиях компостирования постепенно подавляется. В результате сукцессии увеличивается микробное разнообразие: компост содержит достаточно высокое общее количество микробов - 3,7 *107кл/г воздушно-сухой почвы, относящихся к 4-м филумам, сопоставимое с содержанием в почвах.

7. Испытание полученного компоста в сельскохозяйственном производстве показало, что оптимальной дозой внесения компоста под сахарную свеклу является доза 10 т/га, максимальный урожай сахарной свеклы - 47 т/га был получен при сочетании 10 т/га компоста и минеральных удобрений.

8. При внесении компоста в сочетании с минеральными удобрениями под ячмень наибольший урожай был получен при дозе компоста 10 т/га и дозе минеральных удобрений N50 Рбо К«о.

9. Наиболее высокая сахаристость корнеплодов сахарной свеклы наблюдалась

при максимальных дозах компоста 20 т/га и средней дозе минеральных удобрений N90 Рэо Кэо-10. Наименьшее содержание белка в пивоваренном ячмене (9,8 %) наблюдалось в варианте использования 20 т/га компоста без применения минеральных удобрений, что связано с несколько меньшим содержанием в почве минерального азота

Список работ, опубликованный по теме диссертации:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецов А.Е., Трутаева H.H., Проценко Е.П., Прусаченко A.B., Проценте A.A. Проблемы фитотестирования малоопасных отходов сахарного производства// Вестник Курской сельскохозяйственной академии. 2012. -№6. - С.53-56

2. Проценко A.A., Медянцев П.Л, Проценко К.А., Кузнецов А.Е. Трансформация показателей плодородия черноземов типичных в зависимости от их агроэкологических особенностей // Проблемы региональной экологии. 2011. -№3. - С. 143-147.

3. Проценко A.A., Кузнецов А.Е., Прусаченко A.B., Проценко Е.П., Чаплыгина О.В., Пученкова A.B. Влияние режимов использования на свойства черноземов Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина

// Проблемы региональной экологии. 2012. - №4. С. 27-35.

Статьи и тезисы в других изданиях:

4. Караулова Л.Н., Кузнецов А.Е. Влияние минеральных удобрений и последействия навоза на продуктивность культур зернопаропропашного севооборота Сб. «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия». Материалы научно-практической конференции Курского отделения МОО «Общество почвоведов имени В.В.Докучаева». Курск, декабрь 2011. - С.45-50.

5. Кузнецов А.Е., Неведров Н.П., Проценко Е.П., Прусаченко A.B. Использование метода биотестирования при оценке токсичности почв и отходов // Сб. «Актуальные проблемы проблемы почвоведения, экологии и земледелия» Сб. докладов научно-практической конференции Курского отделения МОО «Общество почвоведов имени В.В.Докучаева». Курск, декабрь 2012. -С.63-65.

6. Неведров Н,П., Проценко Е.П. Кузнецов А.Е., Использование ячменя обыкновенного Hordeum Vulgare (L) в целях ремедиации«Теоретические и практические аспекты естественных и математических наук»: материалы международной заочной научно-практической конференции (Россия, г. Новосибирск, 24 декабря 2012 г)

7. Миронов С.Ю., Кузнецов А.Е., Проценко Е.НИзучение токсичности отходов сахарного производства с помощью Chorella vulgaris, Paramecium caudatum,

Daphnia magna// «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ» Сб. докладов международной научной конференции. Переяславль-Хмельницкий (Украина), 29-30 апреля - С. 47-50.

8. Кузнецов А.Е, Неведров Н.П., Проценко Е.С. Состав микробного сообщества почвенного компоста на основе отходов сахарного производства. // «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» сборник статей V Международной научно-практической конференции. Курск, май 2013 - С.67-72.

9. Кузнецов А.Е., Проценко Е.П., Неведров НП., Клеева H.A. Особенности получения и применения компостов для мелиорации почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. // «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» сборник статей V Международной научно-практической конференции. Курск, май 2013 - С. 72-76.

Изобретательская деятельность:

10. Заявка на изобретение «Способ получения компоста из отходов сахарного производства». Авторы: Кузнецов А.Е., Проценко Е.П., Проценко A.A., Клеева H.A., Тригуб Н.И., Сидорова Ю.А., Маркова М.В. от 12.11.2012, входящий № 077154; регистрационный № 2012148028.

Подписано в печать 9.09.2013 г. Объем 1.4 п. л. Печать офсетная. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кузнецов, Алексей Егорович, Курск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курский государственный университет»

04201450356

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗЛОЖЕНИЯ В ЧЕРНОЗЕМЕ ТИПИЧНОМ ЖОМОДЕФЕКАТНЫХ КОМПОСТОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОДУКТИВНОСТИ ПОЧВ

на правах рукописи

Кузнецов Алексей Егорович

03.02.08 - экология (биология)

диссертация на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Проценко Елена Петровна

Курск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Экотоксикологические свойства отходов сахарного производства, особенности их утилизации и использования (литературный обзор)

1.1. Физико-химические свойства и химический состав основных отходов сахарного производства

1.2. Применение органических отходов для приготовления компостов

1.3. Микробиологические особенности компостирования органических отходов

Глава 2. Объекты и методы исследований

2.1. Погодно-климатические условия района исследований

2.2. Почвенные условия района исследований

2.3. Описание и схемы полевых и лабораторных экспериментов

Глава 3. Проблемы биотестирования малоопасных отходов сахарного

47

производства

3.1. Принципы и основные понятия фитотестирования ^

3.2. Исследование токсичности отходов сахарного производства (дефеката и жома) 59

3.3. Изучение токсичности компоста из свежего и кислого свекловичного жома 75

3.4. Использование гидробионтов в биотестировании отходов

сахарного производства

Глава 4. Оптимизация состава жомодефекатных комиостов 83

4.1. Физико-химические свойст! сомпостов из отходов сахарной 83 промышленности

4.2. Микробные сукцессии, происходящие в жомодефекатном компосте

Глава 5. Использование жомодефекатного компоста для повышения

91

почвенного плодородия

5.1. Свойства чернозема типичного при разных уровнях антропогенных воздействий 9]

5.2. Влияние внесения жомодефекатного компоста на урожайность сахарной свеклы и ячменя 95

Заключение 105

Выводы 106

Литература 109

Приложения 127

Введение

Утилизация отходов сахарной промышленности, в частности свекловичного жома в настоящее время становится важной экологической проблемой.

В связи с интенсивным развитием промышленного и сельскохозяйственного производства В XXI веке экологические проблемы становятся все более актуальными, а снижение техногенного влияния на окружающую среду превращается в совершенно необходимое жизненно важное направление развития современного общества.

Сахарная отрасль относится к материалоемким и энергоемким видам производства. Объем сырья и вспомогательных материалов в сахарной промышленности значительно превышает выход готовой продукции. Так, в среднем на выпуск 1 т. сахара-песка расходуется 8 - 10 т сахарной свеклы, около 25 -35 м3 воды, 0,6 т известнякового камня, 1,82 кг серы, 0,53 т условного топлива. Особенности технологии переработки свеклы способствуют тому, что свеклосахарное производство является в настоящее время источником образования вторичных сырьевых ресурсов и источником объемных отходов. При среднем выходе сахара около 10 - 12 % к массе переработанной свеклы образуется свежий жом (около 80 %), меласса (5%), фильтрационный осадок (10%), транспортерно-моечный осадок (12-14 )%, до 300 % сточных вод, около 10-12 % свекловичного боя и других отходов.

Утилизация отходов сахарной промышленности, в частности свекловичного жома становится в настоящее время важной экологической проблемой.

Свекловичный жом является основным побочным продуктом при

получении сахара. В 80 - 90-е годы 20-го столетия 35 - 40 % его

использовалось в свежем виде на корм скоту, примерно 30 % жома

высушивали, остальной жом скисал прямо в заводских хранилищах, теряя

4

при этом до 30 % своей кормовой ценности и образуя еще один отход -жомокислую воду и твердую фракцию, подвергающуюся маслянокислому брожению. В настоящее время в связи с отсутствием потребности животноводства в кормах жом становится многотонажным опасным отходом, загрязняя масляной кислотой почвы и водоемы. Свежий жом в настоящее время в ряде хозяйств запахивают, используя его как растительные остатки (Антименкова, 2005; Житин, 2007). Однако, такой прием возможен в весьма ограниченные календарные сроки: сахарные заводы в РФ начинают работу в сентябре-октябре, в то время как в конце ноября во многих свеклосеющих районах наступают морозы, поэтому отходы жома лежат до весны в мерзлом состоянии. С наступлением весны многотонажные отходы (на среднем сахарном заводе Курской области скапливается 150-200 тыс. тонн жома) через 3-4 недели подвергаются маслянокислому брожению, распространяя потоки масляной кислоты, поступающие в водоемы.

Поскольку в настоящее время в Курской области функционирует 10 сахарных заводов, вопрос утилизации их отходов становится весьма актуальным.

Таким образом, наиболее актуальными вопросами экологической безопасности сахарного производства на сегодняшний день является степень утилизации такого отхода как свекловичный жом. Возможность утилизации кислого жома с помощью его обезвреживания методом компостирования с последующим применением на черноземах практически не изучена.

Цель работы. Определить токсичность отходов сахарного

производства и токсичность компостов на основе жома и дефеката методами биотестирования, изучить экологические особенности их разложения в черноземных почвах, и возможность применения компостов в сельскохозяйственном производстве на черноземных почвах для увеличения продуктивности и качества урожая сельскохозяйственных культур.

Задачи исследований:

1. Определить токсичность жома и дефеката методом биотестирования с помощью разных групп организмов.

2. Оптимизировать состав органического компоста на основе жома и дефеката.

3. Определить агрохимические и физико-химические свойства органических компостов.

4. Изучить микробный состав полученного компоста и микробный состав черноземных почв.

5. Изучить воздействие применения компостов на черноземе типичном на продуктивность и качество урожая сахарной свеклы и ячменя.

Научная новизна. Впервые изучена токсичность разных отходов сахарного производства методами биотестирования с помощью разных групп организмов, расширены представления о микробной сукцессии при разложении отходов сахарного производства. Изучены физико-химические свойства компостов на основе жома и дефеката, изучены возможности их применения на черноземных почвах для улучшения показателей плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур.

Практическая значимость. Впервые представляется способ изготовления и использования жомодефекатных компостов как для утилизации многотонажных отходов сахарной промышленности, так и для улучшения свойств почв (Заявление о выдаче патента на изобретение, per. № 2012148028 от 12.11.2012). Жомодефекатные компосты могут стать основой для получения ценного органического удобрения, применяемого для улучшения показателей плодородия почв. Результаты исследований позволят подойти к разработке промышленных методов использования кислого жома совместно с дефекатом, что снизит риск загрязнения окружающей среды сахарными заводами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Отход сахарного производства - кислый жом, утративший потребительские качества по результатам биотестирования является отходом 3 класса опасности, что препятствует его использованию в качестве мелиоранта.

2. Кислый жом совместно с дефекатом могут утилизироваться при помощи предварительного компостирования с использованием биологического активатора - закваски из каныги, вермикомпоста и вытяжки из чернозема, что подавляет уксуснокислое и маслянокислое брожение.

3. Компосты из кислого жома и дефеката при разложении их в черноземе типичном способствуют улучшению показателей его плодородия.

4. Компосты из кислого жома и дефеката при применении их на черноземах способствуют повышению урожайности и качества сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на научно-практических конференциях Курского отделения МОО «Общество почвоведов имени В.В.Докучаева» «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия» (Курск, 2011) и «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» (Курск, 2012); на Международной научно-практической конференции «Теоретические и практические аспекты естественных и математических наук» (Новосибирск, 2012); на Международной научной конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах СНГ» (Переяславль-Хмельницкий (Украина), 2013); на Международной научной конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2013).

Благодарности. Глубокую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Проценко Елене Петровне за постоянную

7

консультационную помощь в работе. Особую благодарность автор выражает доктору биологических наук профессору МГУ Верховцевой Надежде Владимировне за возможность выполнения микробиологических исследований и научно-методическую помощь в интерпретации данных. Автор также благодарен всем сотрудникам кафедры общей биологии и экологии КГУ, оказавшим помощь в работе.

Глава 1. Экотоксикологические свойства отходов сахарного производства, особенности их утилизации и использования (литературный обзор)

1.1. Физико-химические свойства и химический состав основных отходов сахарного производства

В 21 веке происходит постоянное увеличение техногенной антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. Поэтому все более злободневными становятся вопросы оценки ее экологической безопасности окружающей природной среды. По мнению некоторых специалистов в окружающей среде в настоящее время содержится около 10 миллионов наименований загрязняющих веществ (Шеуджен, 2003; Шеуджен и др., 2003; Сметанин, 2003). Одним из основных проблемных отходов сахарных заводов является свекловичный жом, который представляет из себя выщелоченную свекловичную стружку, почти полностью лишенную сахара (Притыкина, Кисина, 1963, 1965; Белостоцкий и др., 1988; Инструкция по ведению..., 1994; Демина и др., 2006; Славянский, 2006). Известно, что в состав жома входит клетчатка, пектиновые вещества, гемицеллюлоза, небольшое количество белка, минеральных веществ и сахара. Низкое количество клетчатки, легкая усвояемость углеводов и белка делают его ценным для кормления крупного рогатого скота, который охотно поедает как свежий, так и доброкачественный заквашенный жом (Демина и др., 2006). Жом сбрасывают в ямы, где он под влиянием попавших в него микроорганизмов заквашивается. При развитии молочнокислого брожения жом приобретает приятный запах и вкус моченых яблок, цвет его остается светлым. В том случае, если жом не защищен от доступа воздуха и атмосферных осадков, он постепенно портится, в нем развиваются маслянокислые и гнилостные бактерии, приводящие к большим потерям

питательных веществ, вплоть до полной порчи продукта, когда появляется

9

неприятный запах маслянокислого брожения. Такой жом становится загрязнителем окружающей среды. В состав жома входят (% к общей массе): пектиновых веществ — 48-50, целлюлозы — 22-25, гемицеллюлозы — 21-23, азотистых веществ — 1,8-2,5, золы — 0,8-1,3, сахара — 0,15-0,20. При гидролизе ферментами или разбавленными кислотами нерастворимая часть пектинов (протопектин) переходит сначала в растворимый пектин, а затем в полигалактуроновую кислоту. Имеющиеся в жоме сложные эфиры омыляются, при этом отщепляется метиловый спирт и уксусная кислота. Целлюлоза (клетчатка) — высокомолекулярный полисахарид — главная составная часть клеточных стенок растений. Она состоит из нитевидных макромолекул, построенных из остатков глюкозы, и обладающих повышенной стойкостью по отношению к ферментам пищеварительного тракта животных.

Гемицеллюлозы являются спутниками целлюлозы. Они представляют собой менее сложные полисахариды клеточных стенок. В отличие от клетчатки, гемицеллюлозы хорошо перевариваются в пищеварительном тракте животных. Азотистые вещества жома представлены в основном труднорастворимыми формами белка (до 80% от общего количества азота). Амидный и аммиачный азот полностью переходит в диффузионный сок. К растворимому азоту относятся азот аминокислот, бетаина, пуриновых оснований и нитратный. Находящиеся в жоме белки или протеины — это полимерные молекулы, которые состоят из различных аминокислот. Кроме простых белков, в жоме содержится незначительная часть сложных белков-протеидов, главным образом нуклеопротеидов, то есть соединений белков с другими высокомолекулярными веществами — нуклеиновыми кислотами. Нуклеопротеиды входят в состав клеточных ядер и перевариваются труднее, чем простые протоплазматические белки. В сыром жоме общее содержание аминокислот колеблется в пределах 0,3-0,5%. Кроме аминокислот и амидов, жом содержит бетаин — «растительное основание», охватывающее ряд

10

азотистых соединений.

В свежем жоме содержится около 19 мг/кг витамина С. В сухом жоме найдены следующие витамины (мг/кг): В1 — 0, 55, В2 — 0, 20, В6 — 0, 18, С — 5, 0, пантотеновая кислота — 0, 21 и биотин — 0,001. В жоме обнаружены два фермента — протопектиназа и пектиназа. В нем содержатся минеральные вещества, незначительное количество жира, а также две формы стерина, относящиеся к растительным стеринам или фитостеринам.

Одним из отрицательных качеств жома является то, что он содержит большое количество воды: в свежем жоме 91-94%, в отжатом и спрессованном - 80-86 %. Поэтому в нем активно развиваются микроорганизмы, и он быстро закисает. Избыточное содержание воды в жоме затрудняет и удорожает его транспортировку, а также сушку. Для получения одной кормовой единицы в жоме при сушке приходится затрачивать около 1 кг условного топлива.

Большое содержание воды в жоме и быстрое его заквашивание вызывают у животных при неумелом скармливании различные желудочные заболевания: поносы, вплоть до кровавых, вздутие желудка — тимпанию, мокрецы — заболевание ног, ведущее в отдельных случаях к спадению копыт, параличу ног, гангренозному воспалению.

В жоме мало содержится протеина и минеральных веществ, особенно фосфора. Недостаток фосфора при обильном кормлении жомом вызывает, особенно у молодняка, серьезные расстройства в организме и даже заболевания: слабость ног, появление суставных опухолей, ломкость костей, слепоту, потерю аппетита. В связи с этим при жомовом откорме балансирование рациона по всем элементам питания имеет исключительно важное значение. Кроме того, в сыром жоме содержатся витамины, аминокислоты (лизин, лейцин).

Неотжатый жом, вышедший из диффузионного аппарата, независимо

11

от содержания в нем сухих веществ и хранившийся не более трех суток, называется свежим, более трех суток - кислым (рН 5,0). Жом с содержанием 10-13% сухих веществ называется отжатым, с содержанием выше 13% -прессованным. До 90-х годов прошлого столетия при колхозном ведении сельскохозяйственного производства из всего произведенного жома только 8-10% высушивали, до 30-35% скармливали скоту в свежем виде, остальное количество использовали в кислом виде, при этом терялось до 50% питательных веществ и значительно ухудшалось его качество.

В 80-90 е годы в хозяйствах бывшего СССР зимой и весной скот кормили жомом, хранящимся, как правило, в специальных открытых ямах, расположенных на территории сахарных заводов. Медленное заполнение, большая открытая поверхность, не защищенная от осадков, создавали в процессе хранения жома условия для возникновения нежелательных, нерегулируемых микробиологических и биохимических процессов. В результате жом становился кислым. При накоплении масляной кислоты корм опасен для животных. Токсическое действие свекловичного жома обусловлено накоплением в нем больших количеств масляной и уксусной кислот и других токсических продуктов в результате неправильного хранения и порчи его под влиянием гнилостной микрофлоры. При скармливании такого жома у животных возникали ацидоз, кетонемия, белковая и минеральная недостаточность, дистрофические и функциональные нарушения нервной системы и жизненно важных паренхиматозных органов.

В настоящее время потребность в жоме, который скармливают скоту, резко упала, поскольку преобладает кормление готовыми кормами на крупных животноводческих комплексах. Поэтому в связи с отсутствием потребности животноводства в кормах жом становится многотонажным опасным отходом, загрязняя масляной кислотой почвы и водоемы. Свежий жом в настоящее время в ряде хозяйств запахивают, используя его как

растительны�