Экологическая оптимизация биоутилизации и использования нетоксичных отходов в агроэкосистемах южного урала
На правах рукописи
Филиппова Ася Вячеславовна
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
БИОУТИЛИЗАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НЕТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ
В АГРОЭКОСИСТЕМАХ ЮЖНОГО УРАЛА
03.02.08 – Экология (биология)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Оренбург, 2010
Диссертация выполнена в Федеральном государственном образователь-
ном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет»
Научный консультант – доктор сельскохозяйственных наук, профессор Петрова Галина Васильевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Мосина Людмила Владимировна;
доктор биологических наук, профессор Мирошников Сергей Александрович;
доктор биологических наук Шушкевич Нина Ивановна
Ведущая организация – ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова (ВНИИ агрохимии)
Защита диссертации состоится «_» _ 2010 г. в _ ча сов на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49.
Текст автореферата размещен на сайте ГОУ ВПО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева: [email protected] 2010 года.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАУ-МСХА.
Автореферат разослан «_» _ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Селицкая О.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Хозяйственная деятельность приводит к нако плению большого количества отходов. Анализ информационных материалов показывает, что за год в России образуется более 750 млн т отходов органиче ского происхождения. По данным Росстата, только растительных отходов за год формируется более 180 млн т, около 120 млн т животноводческих, более 2,5 млн т осадков сточных вод. При этом на долю Приволжско-Уральского ре гиона приходится 28% накопления органосодержащих отходов. Если отходы рассматривать не только с позиций загрязнения среды, но как недоисполь зованное сырье, то с этой точки зрения представляется возможным вернуть в ресурсный цикл значительную часть органических и других отходов. Это особенно важно при дефиците органического вещества в интенсивно воз делываемых агроэкосистемах. Замкнутость природных циклов круговорота веществ обеспечивается иерархической организацией трофических цепей.
Все процессы разложения в природе происходят под воздействием различ ных представителей мезо- и микрофауны. Разработав практические подходы к возможности управления процессами деструкции отходов биологическими объектами в заданном направлении, можно обеспечить получение экологи чески безопасного удобрения из отходов и повысить экологическую безопас ность хозяйственной деятельности. В настоящее время многие исследования ведутся на основе технических решений утилизации отходов (Ладонин, 2002;
Касатиков, 1996), а перспективной альтернативой является биологический способ, который позволяет использовать естественные редуценты для транс формации отходов и оптимизации агроэкосистем. Такой подход к реутили зации отходов требует разработки как методологических принципов, так и технологических приемов их использования. Нерешенным остается также вопрос об определении статуса переработанных отходов, что делает пробле матичным их использование в агроценозах.
Проблемы утилизации отходов организмами-редуцентами, оптимизация использования трансформированных форм отходов в агроценозах – мало изученная область науки, однако актуальность разработки биоэкологических природосообразных методов переработки и использования отходов возрас тает по мере увеличения объемов и нагрузки на природную среду.
Цель и задачи исследований.
Цель работы – разработка методологических основ экологической опти мизации биологической утилизации нетоксичных отходов на примере регио на Южного Урала.
Для реализации этой цели решались следующие задачи:
1. Оценка объемов нетоксичных отходов Уральского региона, пригодных для биологической утилизации.
2. Комплексный анализ отходов на основе их химического, физико механического состава, биологических и экологических свойств.
3. Разработка алгоритмов экологической оптимизации биологической переработки нетоксичных отходов.
4. Оценка эффективности применения полученного из отхода продукта в системе почва–растение.
5. Интегральная оценка экологической безопасности использования не токсичных отходов в агроэкосистемах.
Научная новизна и теоретическая значимость. На основе двадцати летних исследований по использованию нетоксичных отходов во вторичном цикле хозяйственной деятельности впервые разработаны основные критерии их биоэкологической оценки для применения в качестве удобрений. Опреде лены ресурсы сырья для биологической утилизации нетоксических отходов и разработаны алгоритмы биологической переработки с использованием ре дуцирующих организмов включая вермикультуру. Проведена оценка измене ния свойств масс отходов по этапам биологической утилизации. Показано, что при вермикомпостировании оптимизация рецептуры субстратов, созда ваемых на основе сельскохозяйственных отходов, улучшает популяционную структуру Eisenia foetida. Отмечен повышенный адаптивный потенциал до ждевых червей, используемых в качестве «пробников». Экспериментальным путем установлена оптимальная плотность заселения вермикультурой суб стратов, приготовленных из различных видов навоза.
При трансформации органических отходов отмечены особенности фор мирования сукцессий микро- и мезофауны.
При оценке биологической полноценности растительной продукции вы явлены основные биологические барьеры перехода тяжелых металлов из вер мисубстратов.
Показано, что межпопуляционное взаимодействие микро- и мезофауны играет важную роль при трансформации органической массы отходов. Поэ тому при биологической утилизации отходов предложено создавать условия для доминирования определенных видов, оказывающих наибольшее влияние на качество конечного продукта. Для своевременной корректировки управле ния процессом биологической утилизации предложено использовать расчет индекса видового разнообразия.
Выявлены региональные особенности формирования экологических групп почвенных организмов в зависимости от доз внесения обезвоженного сухого осадка сточных вод. Предложено считать их видовое разнообразие ме рой оценки состояния биогеоценозов.
Основные положения, выносимые на защиту. Существующие объемы нетоксичных отходов в Южно-Уральском регионе могут быть полностью ути лизированы и использованы в био-и агроценозах.
Научно обоснованное использование нетоксичных отходов позволяет стабилизировать функционирование агроэкосистемы Южного Урала.
Корректировка сообществ редуцирующих организмов позволяет управ лять процессами деструкции органических отходов, предложенные рецепту ры смешивания различных отходов обеспечивают получение конечного про дукта с заданными свойствами.
Разработанный комплексный алгоритм биологической утилизации позво ляет регулировать качество её проведения и оптимизирует процесс оценки отходов и продуктов утилизации.
Сформированы принципы и методологические подходы к биологической утилизации нетоксичных отходов.
Практическая значимость работы. На обширном экспериментальном материале доказана возможность биологической утилизации целого ряда неток сичных отходов и их использования для поддержания экологического баланса в сельскохозяйственном природопользовании Южно-Уральского региона. Раз работанные принципы биологической утилизации отходов прошли апробацию в агрохолдингах, предприятиях группы компаний «Пауэр», использованы для организации цехов по переработке органосодержащих отходов и производству вермиудобрений в регионе, использованы в работе научно-производственного центра «Биоцентр». Технология использования экологически безопасного ор ганического удобрения (вермикомпоста) внедрена при выращивании овощных культур в условиях защищенного грунта, а также использована в практической работе по озеленению и созданию травяных покрытий стадионов.
Установлено, что:
– при использовании золы подсолнечной лузги повышается эффектив ность действия бактериальных удобрений;
– при подборе компонентов вермисубстрата можно производить органи ческое удобрение с разными свойствами;
– возможен расчет оптимальных плотностей популяции и регулирова ние численности редуцирующих организмов на основании оценки физико химических свойств отхода;
– за счет оценки биологических особенностей биообъектов и их выбо ра для использования в биологической утилизации возможно моделирование процесса в интересах получения более качественного удобрения.
Доказано:
– использование популяций дождевых червей при вермикомпостирова нии создает биологические барьеры при транслокации тяжелых металлов в продукты растительного происхождения;
– трансформация сложной полидисперсной и многокомпонентной систе мы органосодержащих отходов зависит от видового разнообразия и домини рования экологических групп почвенных организмов;
– возможно управление процессами катаболизма в агроценозе на основа нии корректировки эколого-трофических групп почвенных организмов.
На базе данных по биологической утилизации органических, органо минеральных и минеральных отходов доказана состоятельность предложен ного алгоритма при проведении биологической утилизации.
Исследованиями обоснована практическая возможность:
– использования отходов для повышения биопродуктивности растений и почвенного биоразнообразия;
– регулирования и управления процессом трансформации отходов для по лучения органического удобрения с заданными свойствами;
– использования популяции калифорнийского гибрида дождевого червя Eisenia foetida для утилизации целлюлозосодержащих отходов.
Производству предложены:
– оптимизированные субстраты для вермикультуры;
– рецептура обогащения цеолитов минеральными добавками для исполь зования в гидропонике;
– приемы биологической утилизации целлюлозосодержащих отходов;
– дозы и способы внесения отходов для стабилизации агроэкосистем за крытого и открытого типов.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований были использованы при переработке органосодержащих отходов и производстве вермиудобрений и подтверждены актами о внедрении.
Работа велась в рамках целевой программы «Отходы» 1996 г. и «Оздоровление экологической обста новки в Оренбургской области 2005–2010 гг.».
Результаты исследований нашли широкое применение в практической работе по озеленению городских территорий, а также были учтены при раз работке рекомендаций по вермикомпостированию, в том числе на приусадеб ных и дачных участках.
Материалы диссертационной работы неоднократно использовались при подготовке Государственного отчета об экологическом состоянии Оренбург ской области и отчета по госконтракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере от 25.01.2005 г. регистраци онный номер 2944р/5296 и госконтракту № 1453/13 от 06 июля 2009 г., № гос регистрации 01200964890, при разработке паспортов отходов Оренбургской области и проведении кадастровой оценки вторичных ресурсов Уральского региона, а также при составлении учебно-методических пособий для студен тов специальностей «Агрономия» и «Биоэкология», бакалавров направления «Экология и природопользование» ОГАУ.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена примене нием современных методов исследований, информационно-логического и статистического анализа данных, в том числе с использованием пакета при кладных программ.
Апробация результатов. Результаты исследований были представлены на Всероссийской центральной выставке 2003 года в г. Москве и отмечены золо той медалью, а также на областном научном конкурсе «Экотехнология-2006»
(Оренбург, 2006) с присуждением первого места. Основные результаты и по ложения диссертации доложены и обсуждены на научно-производственных конференциях, симпозиумах и других научных форумах: Киев, 1994 г.;
Мо сква, 1996 г.;
Санкт-Петербург, 2002 г.;
Челябинск, 2002 г.;
Оренбург, 2006;
2009 гг. Основные результаты работы отражены в монографии «Эколого агрохимические свойства и эффективность верми- и биокомпостов» (2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована монография, рекомен дации и 49 статей, основные из которых размещены в изданиях, рекомендо ванных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций на соискание сте пени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 356 страни цах. Состоит из введения, обзора литературы, семи разделов, содержит таблиц, приложений.
Благодарности. Выражаю благодарность моим учителям: Петровой Галине Васильевне, д.с.-х.н., профессору Оренбургского ГАУ, Мерзлой Ген риетте Егоровне, д.с.-х.н., профессору, Афанасьеву Рафаилу Александро вичу, д.с.-х.н., профессору ВНИИА, профессору РГАУ Черникову Влади миру Александровичу. Светлая память моим первым учителям и научным наставникам: академику РАСХН Тараканову Герману Ивановичу и профес сору ВНИИА им. Прянишникова Россельхозакадемии Глунцову Николаю Михайловичу.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первом разделе проанализированы результаты исследований русских и зарубежных ученых М.Г. Костяевой (1996), В.Ф. Ладонина (2002), Г.Е.
Мерзлой (1997), Э.К. Буренкова (1997), А.В. Быкина (1996), Н.М. Городне го (1992), M. Vinzeslas-akpa (1997), В.А. Черникова, О.Д. Сидоренко (2000) и многих других по опыту переработки нетоксичных отходов. Изучен опыт болгарских ученых Х. Симитчиева, В. Каназирско, К. Милиева, П. Джурова (1983), и ученых других стран Дж. Рабо (1980), О.И. Антоновой (1992), Н.Ф.
Челищева (1990), А.А. Понизовского (2003), В.Г. Минеева (1989) в области использования цеолитов в искусственных агроэкосистемах.
Особое внимание уделено классическим исследованиям почвенной био ты. Показан вклад ученых М.С. Гилярова (1986), В.А. Догеля (1981), А.И. Зра жевского (1952), Д.Г. Звягинцева (2005), Л.С. Козловской (1983), Я.В. Пейве (1961), Л.А. Суховицкой (2001;
2002), Б.Р. Стриганова (1980), О.В. Чеканев ской (1960), И.П. Бабьевой (1980), E. Westernacherа (1987), N. Goldstein (1987), С.В. Шуровой (1992) в изучение экологических групп почвенных животных.
На основании работ авторов B. Patorczyk-Pytlik (1995), J. Kostecka (1996), Л.О. Петункинина, А.В. Махалова (1987), В.Ф. Ладонина (2002), В.А. Каса тикова (1996), С.Г. Дорошкевича (2000), В.Г. Сычева (2007) обобщен опыт внесения осадков сточных вод ряда очистных сооружений Германии, Санкт Петербурга, Москвы. Проведен анализ работ А.Л. Прядко, Н.В. Русакова, В.А. Черникова (1997) по изучению биологических методов при эколого гигиенической оценке отходов. Обозначены проблемные вопросы агрофи зических и агрохимических свойств почв в связи с интенсивной антропо генной нагрузкой, проанализированы классические работы С.Э. Маттсона (1938), В.М. Клечковского, А.В. Петербургского (1967), К.К. Гедройца (1902), L. Meyerа (1943), современные работы Н.М. Глунцова (1995), В.А. Ковды (1987), К. Рэуце (1986), А.Н. Аристархова (2002), В.Т. Емцева (1994), В.И. Бо ева (2000), T. Eikmann (1991). Рассмотрены антропогенные факторы, влияю щие на агроэкосистемы. Определены вопросы, требующие изучения в усло виях Южно-Уральского региона.
Во втором разделе описаны материалы и методы работы над диссертаци ей. Материалом для работы служили сельскохозяйственные, промышленные и коммунально-бытовые отходы. Наш подход основывался на восприятии от хода как среды обитания для существования животных и растительных орга низмов, поэтому основное внимание мы сосредоточили на приемах и спосо бах биологической утилизации эффективных по отношению к конкретным отходам: навозу, подсолнечниковой лузге, золе лузги, адсорбентам газопере работки (цеолиты), обезвоженному осадку бытовых сточных вод. Исследо вания были проведены по изучению свойств отходов, влиянию их на состоя ние биологических организмов в процессе утилизации и после применения итогового продукта, а также изучили влияние воздействия организмов на из менение свойств отходов. В качестве прикладных блоков провели изучение приемов оптимизации использования отходов в агроэкосистемах двух типов:
закрытых (теплицы) и открытых (схема исследований представлена на рис. 1).
Рис. 1 – Общая методологическая схема проведения исследований При этом механизмы управления и целенаправленного влияния на про цессы трансформации животноводческих отходов отрабатывались с ис пользованием метода вермикомпостирования;
растительных отходов (под солнечниковой лузги) – за счет микробного компостирования;
для отходов газоперерабатывающих предприятий (цеолитов) – через выбор рецептуры обогащения минеральными добавками;
для золы лузги и обезвоженных осад ков сточных вод – путем утилизации биотическим комплексом в почвенной среде.
Исследования проводились в лабораторных, полевых и научно производственных опытах. При проведении исследований использовали методы определения общей биологической активности почвы по интенсив ности разложения целлюлозы по методу Е.Н. Мишустина. Целлюлозоразру шающую активность микробиоты – по степени разложения льняного полот на (Аристовская, Худяков, 1977). Изучение почвенных грибных сообществ проводили при посевах на средах Чапека и Гетчинсона. Выделение мелких почвенных животных проводили в почвенных пробах с помощью воронки Тульгрена, крупных – методом прямого ручного разбора при выемке почвы послойно. Для характеристики комплексов животных использовали индексы Симпсона, Шеннона и Макинтоша.
Агрохимические свойства субстратов и почв определяли стандартны ми методами: валовой азот – по ГОСТ 26107–84;
аммонийный азот – ГОСТ 27894.3–88;
нитратный азот – ГОСТ 27894.4–88;
валовые формы фосфора и калий – ГОСТ 26261–84, валовое содержание органического вещества – ме тодом прокаливания. Содержание нитратов определяли ионоселективным методом на ионометре ЭВ-74;
содержание тяжелых металлов в почвенных и растительных образцах – на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Аг рофизические показатели: агрегатный состав – методом сухого просеивания, влажность – термостатно-весовым методом, максимальную гигроскопич ность – по методу Лебедева.
В процессе экспериментальной работы изучалось взаимодействие среды и объекта друг на друга. В качестве доказательной базы возможности примене ния нетоксичных отходов в агроценозах использовали характеристики состоя ния беспозвоночных животных – численность, плотность, видовой состав по пуляций;
у растительных объектов определяли динамику ростовых процессов, продуктивность, фенологические фазы, качественный состав продукции.
В общей сложности было проведено 11 экспериментов, в которых изуче но 97 вариантов трансформации масс отходов, качественного их состава и проанализированы воздействия на агроценоз. На основании этого был выра ботан алгоритм проведения биологической утилизации отходов и проведена оценка их применения в агроэкосистемах.
Эксперимент 1. Изучение биологической утилизации животноводческих отходов методом вермикомпостирования проводилось на популяции специ ально выведенного для промышленных условий калифорнийского гибрида красного дождевого червя из вида Eisenia foetida. Моделировали процесс вер микомпостирования на разных субстратах. Изучались основные элементы, представляющие интерес для понимания и моделирования поведения особей, и важнейшие связи между сопутствующими сообществами. В качестве суб страта использовали навоз сельскохозяйственных животных. В созданной мо дели «организм – среда» проследили взаимовлияние объекта (Eisenia foetida) на среду (животноводческие отходы) и среды на объект. Оценили влияние смеси навоза различных сельскохозяйственных животных на особенности протекания процесса вермикомпостирования и агроэкологические параметры полученного вермикомпоста.
Эксперимент 2. Определение адаптационных возможностей и оптималь ной плотности посадки дождевых червей в субстраты из отхода проводилось в стандартных ложах. Изучали отходы как источник энергии для популяции червей и поведение особей в зависимости от плотности их заселения. Про цесс вермикомпостирования проводили в закрытом виварии при температуре 18–22 °С в течение 90 дней (ротационный период). Опыты проведены с мак симальной посадкой червей 50000 экземпляров и минимальной 4000 особей на стандартное ложе.
Эксперимент 3. В производственном опыте изучали агроэкологическую эффективность отходов для пролонгирования действия почвенных грунтов.
Схема опыта включала варианты с добавлением отходов древесного произ водства (опилок), обработанных аммиачной селитрой, конского навоза и вер микомпоста в тепличный грунт 2-го года использования, в состав которого входило: 50% дерновой земли, 30% перепревшего навоза и 20% опилок.
Эксперимент 4. Изучали особенности утилизации подсолнечной лузги.
Наблюдали за деструкцией органического отхода в зависимости от механиче ских воздействий и действия компостирующих микробиологических препа ратов, а также влияния Eisenia foetida на формирование свойств, приемлемых для органического удобрения. Нами заложен опыт по сравнительному изуче нию способов аэробного разложения.
После предварительного компостирования для повышения питательной ценности лузги был заложен двухфакторный опыт по сравнительному изуче нию компостирующих препаратов и добавок в виде птичьего помета, навоза крупного рогатого скота и козьего. Изучение смесей навоза разных видов сельскохозяйственных животных проводили в лабораторных условиях в пла стиковых емкостях объемом 1,5 л. После процесса ферментации запускались дождевые черви Eisenia foetida и проводили наблюдения за их состоянием и изменением массы отхода через каждые 10 дней.
Эксперименты 5–7. Изучали возможность реутилизации золы, полу ченной при сжигании подсолнечной лузги в почвенных условиях закрытых и открытых агроэкосистем. Опыты по использованию различных доз и спо собов внесения золы были проведены на растениях томата (Lucopersicum esculentum) и картофеля (Solanum tuberosum).
Для картофеля схема опыта включала 4 варианта с разными дозами вне сения золы в каждую лунку перед посадкой и один вариант с предпосадоч ным опудриванием клубней.
Выявив оптимальную дозу внесения золы, был заложен опыт с комплекс ным использованием золы и бактериальных удобрений.
Варианты опыта включали контрольный вариант с оптимальной дозой золы и три формы бактериальных удобрений: азотобактерин, фосфоробакте рин, силикатобактерин, внесенных в каждую лунку перед посадкой культуры картофеля.
В тепличных условиях в качестве объекта исследования был использо ван гибрид томата Благовест. Изучаемые дозы составили 150, 300 и 450 г на 1 кв. м. Как один из вариантов изучен комплексный способ однократной под кормкой золы в дозе 150 г на 1 кв. м и одна подкормка вытяжкой из верми компоста. Первая подкормка проводилась через десять дней после высадки в грунт, вторая – в период массового цветения.
Эксперименты 8–10. Для изучения возможности создания из цеолитов среды обитания для растительных объектов на базе теплиц проведены срав нительные лабораторные исследования агрофизических и агрохимических свойств, традиционных субстратов и природных форм цеолитов. Объектами исследований являлись цеолиты (клиноптилолит, далее Кл) двух месторожде ний – Тедзами (Грузия) и Сокирница (Закарпатье), используемые в процессе очистки газоконденсата газоперерабатывающих производств.
В условиях световой зоны Южного Урала был заложен вегетационный опыт по подготовке цеолитовых субстратов для выращивания фитообъектов пищевого назначения в теплицах блочного типа. Возможность использования тедзамского и сокирницкого цеолитов в качестве субстрата для гидропоники провели на основе вариантов их обогащения питательными растворами. За контроль приняли традиционный тепличный грунт, составленный на 60% из торфа + 40% дерновой земли.
Для выбора приемов оптимизации субстратов из цеолитов при гидропон ной технологии выращивания растений провели серию экспериментов с цео литами, различающимися по способу обогащения элементами питания.
Методика обогащения цеолита азотно-фосфорными удобрениями велась на основе обработки исходного цеолита растворами сернокислого аммония и двой ного суперфосфата из расчета на планируемую продуктивность плодовой массы.
При использовании минеральных удобрений на цеолитовых субстратах большое значение имеет оптимальный уровень элементов питания для созда ния экологического оптимума растительным объектам. Для этого методом ис ключения мы определили значение каждого из основных элементов питания и их сочетаний для онтогенеза растений, продуктивность и качество плодов томата. Различные элементы питания вносили согласно схеме опыта, вклю чающей подкормки азотом, фосфором, калием в комплексе и по отдельности, рассчитанных на планируемую продуктивность плодовой массы.
Поскольку тепличный фитоценоз имеет высокую интенсивность плодо отдачи, это требует постоянного поддержания «питательности» субстрата.
Для выработки наиболее оптимальных схем обогащения субстратов и под кормок растений в период вегетации был поставлен эксперимент по изуче нию обогащения цеолитов. Элементы питания вносили в два приема: одну часть – с обогащенным цеолитом, другую – в виде подкормки минеральными удобрениями в расчете на планируемый урожай. Контрольными были первые два варианта.
Эксперимент 11. Проведена экологическая оценка обезвоженного осад ка бытовых сточных вод ряда очистных сооружений, изучена возможность их биологической утилизации и возможность присвоения статуса удобрения.
Нами были обследованы разновозрастные осадки на наличие тяжелых метал лов, органическое вещество, рН, сульфаты, валовые формы азота, фосфора, калия. Для изучения деструкции осадков сточных вод под влиянием зооми кробиального комплекса и их агроэкологической оценки был проведен экспе римент по применению осадков бытовых сточных вод в качестве удобрения.
Влияние ОСВ на индикаторные растения изучалось в мелкоделяночном опы те в прямом действии. Варианты изучаемых доз были выбраны по рекомен дациям ВИУА на основе перерасчета на основные питательные вещества и ГОСТу по перерасчету на тяжелые металлы. В качестве индикаторных рас тений использовали высокопродуктивные культуры, отвечающие требова ниям индикаторных растений на накопление тяжелых металлов и высокоот зывчивых на применение органических удобрений (Рубцов, 1978), Capsicum annuum, Solanum melongenа и Lepidium sativum. Все эксперименты были на правлены на изучение взаимовлияния биообъекта и среды (отхода).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Расчет объемов отходов, пригодных для биологической утилизации В разделе 3.1 дается оценка ресурсного потенциала биомассы России.
Проведенный анализ показывает, что из 750 млн т органических отходов 80% приходится на продукты лесного и сельскохозяйственного производства и 20% на бытовые и производственный отходы. Количество накапливаемого ежегодно навоза и помета на предприятиях АПК по удобрительной ценности эквивалентно 62% от общего производства минеральных удобрений в стра не (Сычев В.Г., 2007). В общем объеме сельскохозяйственных отходов 80% составляет навоз сельскохозяйственных животных и птицы. Этот потенци ал используется не более чем на 20%, что объясняется в основном низким качеством нативных животноводческих отходов и отсутствием эффективных технологий подготовки этих отходов в качестве удобрений. В разделе опреде лена их качественная характеристика, а также пригодность различных видов отходов для биологической переработки.
Подчеркнуто, что одним из эффективных способов улучшения качества может стать его биологическая утилизация методом вермикомпостирования.
Для регулирования процесса вермикомпостирования и выработки стра тегии создания жизнеобеспечивающих условий для червей в отходах важно знать качественные показатели субстратов. Исследования показали, что раз личные виды навоза в неодинаковой мере пригодны для культивирования красного калифорнийского червя.
Основные подходы к использованию метода биологической утилизации основаны на создании из отхода витальной среды обитания для биологиче ских объектов. Среды внешняя и внутренняя непрерывно воздействуют на объект, а тот в свою очередь воздействует на среду. Такой двойственный ха рактер воздействия усложняет изучение систем. При разработке алгоритма действий по биологической утилизации первое действие – характеристика среды (отхода), ограниченная тем, что так или иначе может воздействовать на объект и подвергаться существенным воздействиям с его стороны.
Биологическая утилизация отходов животноводства В разделе 3.2 приведены результаты исследований по использованию дождевых червей для биологической утилизации отходов животноводства.
Рассматриваются методологические вопросы биологической утилизации от ходов. Результаты исследований базируются на восприятии отхода как среды обитания для организмов – редуцентов. Отход в биологической утилизации находится между влиянием редуцентов и внешних условий. Чем благопри ятнее внешние условия и чем больше организмов поселяется в нем, тем бы стрее проходит процесс трансформации отходов.
В результате биологической утилизации методом вермикомпостирования навоза КРС, свиного, конского и их смесей отмечается влияние среды на чис ленность микроорганизмов различных эколого-трофических групп (табл. 1).
Большое количество микроорганизмов, утилизирующих минеральный азот, было отмечено в вариантах с навозом КРС и его смеси со свиным. В варианте с конским навозом и его смесью с КРС отмечена высокая числен ность аммонификаторов, которая привела к повышению содержания азота в вермикомпостах.
Количество свободноживущего азотофиксатора – азотобактера, участву ющего в синтезе гумуса, колебалось от 26 до 64%. В варианте со смесью на воза КРС и свиного наблюдается наиболее активный рост азотобактера, что связано с высоким содержанием фосфора, кальция в этих вариантах, исполь зуемого азотобактером в качестве источника питания.
Из общей массы аммонифицирующих бактерий в вермикомпосте обнару жен Proteus vulgaris, наибольшее количество которого было в конском субстра те – 1,2 и его смеси со свиным – 2,0 тыс. Грибы вида Trihoderma repens, необхо димые для деструкции целлюлозы, преобладали в вариантах с вермикомпостом из свиного навоза и смеси свиного с КРС. В вариантах из смеси конского навоза и навоза КРС отмечали преобладание грибов видов Alternaria, Botrytis cenerea, разлагающих клетчатку и полисахариды. В вермикомпосте были выделены представители Aspergillius и Penicillium, обладающие целлюлозолитической, пектинолитической активностью. Микробиологическая активность верми компоста в вариантах с использованием навоза КРС и его смеси со свиным оказалась выше, чем во всех остальных вариантах, что является несомненным преимуществом при внесении его в почву в виде удобрения.
Таблица 1 – Численность микроорганизмов различных эколого-трофических групп в 1 г абсолютно сухого вермикомпоста из различных видов навоза Вермикомпост из навоза Вариант опыта конский + КРС + КРС + КРС свиной конский свиной конский свиной Грибы, тыс. 28,6±0,16 39,4±0,17 26,0±0,24 26,0±0,24 21,9±0,33 30,2±0, Стрептомицеты, 4,6±0,12 4,8±0,10 5,1±0,19 5,4±0,18 6,2±0,14 5,3±0, млн Микроорганизмы 108,0±1,24 96,5±0,78 158,6±0,57 132,2±1,03 160,6±0,81 102,1±0, утилизирующие азот, млн 268,3±0,90 234,0±0,88 112,0±0,69 126,0±0,75 112,0±1,01 239,3±0, – органический – минеральный Азотобактер, (% об 59,8 44,0 26,8 46,3 42,4 64, растания комочков) Микроорганизмы, разлагающие гуму 20,7±0,65 12,3±0,18 28,2±0,34 20,4±0,59 24,3±0,71 12,4±0, совые соединения, тыс.
Микроорганизмы, продуцирующие 103,3±0,20 130,4±0,11 98,6±0,23 104,0±0,20 104,3±0,15 89,4±0, полисахариды, млн Целлюлозоразру шающие бактерии, 26,4±0,25 10,8±0,33 30,0±0,49 29,6±0,38 33,6±0,47 28,6±0, тыс.
Энторобактерии, общее количество, 9,7±0,12 8,3±0,10 3,4±0,11 6,8±0,17 6,2±0,09 9,5±0, тыс.
Простейшие, тыс. 0,2±0,01 1,2±0,02 2,4±0,01 2,0±0,01 1,2±0,02 1,3±0, Адаптационные возможности и оптимизация плотности популяции заселения Eisenia foetida В разделе 3.3 проведена оценка степени адаптационных возможностей биологических объектов к новым средам обитания. В качестве показателей предложено использовать популяционные характеристики I уровня (числен ность, плотность, рождаемость, смерт- ность, темпы прироста биомассы). Время адаптации к новой среде обитания у дождевых червей было разное. Стрессовое состояние у био- -,.
объектов в сильной степени выра 3000 12 а зилось на отходе из навоза свиней, 2000 характеризующегося кислой средой, 1000 где гибель составила 20% от перво- 0 13 а а начальной плотности. В варианте с конским навозом и смесью навоза КРС+конский рН среды была 8,0–8,2, КРС + + КРС + при этом гибель вермикультуры со ставила 2,0–3,2%. Наиболее благопо К лучно биообъекты чувствовали себя в Рис. 2 – Динамика численности варианте с навозом КРС+свиной, где популяции Eisenia foetida рН среды была близкой к нейтраль по вариантам опыта ной. Это сказалось на повышении воспроизводительной способности червей. Подтверждением этого факта + служит увеличение численности ко- а КРС 16% 17% конов и молодых особей.
В этом варианте количество коко нов на 20-й день было выше, чем во КРС + всех остальных вариантах. На 10-й а 20% 16% день опыта наибольшее количество коконов наблюдалось в субстрате из навоза КРС и составляло 58 шт. на а КРС + 0,1 м2, наименьшее количество коко- 9% 22% нов вначале было отложено в субстра Рис. 3 – Выход живой биомассы чер те из навоза свиней, причем на 10-й вей по вариантам опыта день опыта коконов отложено не было.
На 20-й день опыта началось неуклон ное повышение количества отложенных коконов.
Процесс воспроизводства биообъектов в биотопе из конского навоза про ходил ступенчато, по возрастающей. На 60-й день опыта показатель воспро изводства по темпам снизился в варианте с конским навозом и навозом КРС.
К окончанию ротационного периода (90 дней) в смеси из навоза свиней + КРС было отмечено наибольшее количество живой биомассы червей (рис. 3).
Отмечается, что новый состав субстрата вызывал у червей проблемы с освое нием среды.
К плотности заселения можно подойти с позиции вермикультивирования, и тогда мы создаем наиболее благоприятные условия для размножения червей калифорнийского гибрида. А можно подходить с позиции вермикомпостиро вания, и тогда основное значение имеет или скорость переработки субстрата, или качественный состав вермикомпоста, в этом случае необходимо осущест влять выбор плотностей заселения. Наши исследования показали, что высо кий темп роста популяции наблюдается при плотности заселения 5000– особей на стандартное ложе (2,01,00,30 м3). При меньших плотностях от сутствует проявление эффекта групп, численность нарастает медленно.
Количество переработанного субстрата за время ротации (90 дней) на ходилось в прямой зависимости (r 0,7) от численности вермикультуры и скорости переработки субстрата каждой особью. Так, наибольшее количество субстрата было переработано в вариантах КРС + свиной 128 кг, КРС – 123 кг и свиного – 118 кг.
+ КРС + КРС + КРС 0 20 40 60 80 100 120 а а а а, Рис. 4 – Объемы переработки отхода вермикультурой за ротационный период по вариантам опыта Сравнительное исследование вермикомпоста, полученного путем верми компостирования навоза различных видов сельскохозяйственных животных, свидетельствуют о значительных изменениях его физических, химических и экологических свойств по сравнению с первоначальным отходом. Во всех видах навоза и их смесях значительно снизилось содержание органического вещества – с 84,2–89,4% до 51,6–63,9% вследствие использования его червя ми и минерализации под воздействием микрофлоры. Увеличение процента зольности находится в тесной корреляционной зависимости (r 0,7) с коли чеством микроорганизмов, утилизирующих органический азот.
Содержание фосфора и калия возросло по сравнению с первоначальным во всех вариантах опыта, наибольшие изменения отмечались в варианте с навозом КРС, где количество фосфора возросло в 1,8 раза, а калия – в 1,2 раза смеси на воза КРС и свиного и составило 2,3 и 2,39% к абсолютно сух. веществу.
Отмечается значительное увеличение кальция, что связано со специфиче скими свойствами внутреннего строения червя, которые накапливают углекис лый кальций в известковых железах, а затем выбрасывают его в копроли- тах. Наибольшее количество кальция отмечено в вермикомпосте получен- ном из навоза свиней (3,60% к абс. сух. вещ.-ву) и его смеси с навозом КРС (2,98). В этих же вариантах от % мечается наибольшая численность популяции червей (рис. 3). Повыше ние содержания кальция в трансфор- мированном отходе привело к изме- нению фракционного состава. Наибольшее количество водо КРС прочных агрегатов (99% от обще С го агрегатного состава) отмечено в К + КРС + КРС + вермикомпосте из навоза свиней и смеси КРС + свиной, который перво К начально имел высокое содержание Рис. 5 – Количество водопрочных кальция в субстрате (рис. 5).
агрегатов в вермикомпосте в зависи В смеси конского со свиным мости от использованного отхода навозом преобладала фракция 0,7– 2 мм. Фракции 0,5–0,7 мм занимали значительную долю и составляли 100% 29–32% во всех смешанных суб- 90% стратах. Данный показатель имеет 80% Ка 70% важное агрономическое значение М К а 60% при условии присвоения статуса С 50% М Н удобрения для отходов. Выращи- 40% Ц Ва а 30% вание растений в агроценозах тем Х 20% Ма а успешнее, чем стабильнее структу- 10% ра почв. Особое значение данный 0% На а а 45 90 В факт приобретает в условиях искус Эа а ственных экосистем, с большими Рис. 6 – Динамика изменения содер поливными нормами и интенсивной жания тяжелых металлов по этапам минерализацией, приводящей к бы- вермикомпостирования строму уплотнению.
Экологическая оценка вермикомпостов по этапам вермикомпостирования показывает, что снижение марганца и цинка происходит на 45-й день, кобаль та – на 90-й день, меди – на последних этапах вермикомпостирования (рис. 6), меди – в 5 раз, цинка – в 4 раза, хрома и никеля – в 1,5 раза. При вермикомпо стировании отмечается снижение количества всех регламентированных в ГО СТе тяжелых металлов. Отмечалось уменьшение содержания свинца в 5 раз в варианте с конским, КРС + конский и КРС + свиной. Данный факт имеет прямую корреляционную зависимость от численности биообъектов. Мы на блюдали эффект аккумуляции тяжелых металлов в теле червей.
Среда перетерпевает значительные изменения под влиянием биологиче ских особенностей используемых организмов-редуцентов. Элементы объек та, с помощью которых осуществляется воздействие на среду, мы назовем эффекторами.
Измененный отход получает новые свойства. Причем из навоза разных животных получается вермикомпост с особыми, характерными для каждой рецептуры свойствами.
Таким образом, свойства вермикомпоста мы можем запрограммировать путем подбора компонентов, смеси отходов, заселения определенной плот ностью популяции и созданием определенных дополнительных условий.
Изучив особенности прохождения процесса вермикомпостирования на раз личных видах субстратов, мы можем выбирать наиболее подходящий для ре шения определенных задач отход и получать вермикомпост с ожидаемыми агрофизическими и химическими свойствами.
Агроэкологическая эффективность применения органосодержащих отходов при добавлении в качестве компонентов тепличных грунтов В разделе 3.4 описывается результат проверки качества полученного удо брения как компонента почвогрунта. Эксперименты проводились в условиях интенсивно-культурных тепличных агроэкосистем, при выращивании огурца посевного (Cucumis sativus) сорта «Стелла».
Высокий темп образования фотосинтетического аппарата растений огур ца обеспечило внесение в грунт вермикомпоста. В этом варианте поверхность листового аппарата превышала контрольный в 1,2 раза (табл. 2). Накопление хлорофилла в листьях огурца зависело от вариантов опыта и наиболее интен сивно шло в варианте с вермикомпостом. Этот показатель в течение онтогене за не оставался постоянным и максимума достиг к периоду цветения.
Таблица 2 – Особенности развития огурца посевного (Cucumis sativus) по вариантам опыта Содержание хлорофилла Формирование Вариант фотосинтетическо- мг на 100 г сухого мг на дм го аппарата, см2 вещества Тепличный грунт + опилки 2815±78,51 0,64±0,015 286±6, необработанные (контроль) Тепличный грунт + конский 3299±80,02 0,74±0,013 271±6, опилочный навоз Тепличный грунт + опилки 3043±77,19 0,76±0,015 253±5, обработанные Тепличный грунт + верми 3431±79,64 0,69±0,014 384±6, компост Вермикомпост ускорил появление первых завязей и как следствие выход ранней продукции. Лучшие условия аэрации и пищевой режим в варианте с использованием вермикомпоста увеличили плодоотдачу растений огурца со рта «Стелла». В первый год эксплуатации почвогрунта урожайность на ва рианте с вермикомпостом превысила контрольный на 22,5%, во второй – на 31,2%, на третий год – на 23,7%. В среднем урожайность за три года состави ла 39,8 кг/м2 Использование вермикомпоста обеспечило поддержание плодо родия почвогрунтов в течение более длительного срока эксплуатации. В этом варианте снижение продуктивности плодовой массы в последний год эксплу атации произошло на 6,2%, тогда как в остальных вариантах на 16,8–8,8%.
При использовании в качестве почвоулучшателя вермикомпоста в пло дах отмечено изменение экологических показателей (табл. 3). Возросло со держание кальция и магния на 0,5 и 0,2%, фосфора – на 0,41%. Увеличение содержания фосфора в растениях явилось одной из причин повышения со держания сахара в плодах огурца по сравнению с контрольным вариантом, так как фосфор накапливается в виде аниона в составе ферментов, витаминов и сахарофосфатов (табл. 3).
Таблица 3 – Экологические показатели качества плодов огурца посевного (Cucumis sativus) при внесении в грунт органосодержащих отходов Сухое Общий Витамин Нитраты, Вариант опыта вещество, % сахар, % С, % мг/кг Тепличный грунт + опилки 3,02 1,16 15,7 222,5±3, необработанные (контроль) Тепличный грунт + конский 2,73 1,30 13,8 263,2±4, опилочный навоз Тепличный грунт + опилки 2,51 1,18 12,9 329,4±4, обработанные Тепличный грунт + верми 3,21 1,30 18,0 160,0±2, компост ПДК ± Отклонение от контроля.
Увеличение содержания фосфора в растении огурца на варианте с ис пользованием вермикомпоста явилось косвенной причиной снижения коли чества нитратов, поскольку непосредственно фосфорная кислота необходима для первичного усвоения нитратного азота – его восстановления до аммиака.
В варианте с древесными опилками, обработанными азотными удобрениями, был нарушен баланс между содержанием азота и фосфора, что в свою оче редь привело увеличению количества нитратов в плодах.
Однако ни в одном из вариантов превышения предельно допустимых норм содержания нитратов в плодах огурца отмечено не было.
Биологическая утилизация отходов растениеводства В разделе 3.5 проведена оценка физико-химических свойств одного из основных видов отходов растениеводства – подсолнечной лузги. Показано, что она не может быть использована в качестве удобрения без изменения ее первоначальных свойств. Отмечено, что подсолнечниковая лузга отличается низким показателем разбухания (6%), высоким содержанием клетчатки (48%), лигнина, пектиносодержащих веществ и смол и не может быть использована в качестве удобрения. Проведенный анализ использования ее применения показал ее широкое использование в грибном производстве в идее субстра тов для вешенки обыкновенной (Pleurotus ostreatus). При этом отмечено по ложительное влияние плодового тела вешенки на изменение свойства лузги (частичного разрушения лигно-углеводных связей, усиление ее реакционной способности.
Наши данные согласуются с исследованиями других авторов: Козло ва Ю.П., Саловаровой В.П., 2001;
Синициной А.П., Гусаковой А.В., Черно глазовой В.М. (1995). Химический состав грибного отхода, полученного нами после окончания периода выращивания грибов, имел в своем составе 31% целлюлозы, 19% лигнина, 27% гемицеллюлоз (табл. 3). Содержание азота, фосфора и калия низкое и составляет 0,5;
0,07 и 0,75%, что не достаточно для возможности получения качественного органического удобрения и дальней шей конверсии с помощью Кл. Oligоheta (дождевых червей).
Таблица 4 – Изменение физических свойств лузги по вариантам опыта Разбухание (через 7 суток), % Коэффициент реакционной Водопоглощение (через Насыпной вес в сухом со Пористость, % от объема водности, Вт/(мчград) Коэффициент теплопро Размер частиц, мм способности, с– стоянии, кг/м суток), % Вариант Контроль 0,1 5–10 120±2,12 90 20 6 1,37·10– Кипячение 0,3 5–10 120±2,24 90 32 8 1,39·10– Измельчение 0,15 1–2 600±3,08 45 55 50 2·10– Не измельченная лузга + азот 0,3 5–10 120±2,17 90 35 14 1,45·10– Измельчение лузги + азот в 0,6 5–7 220±2,19 80 40 30 2,9·10– форме углекислого аммония Измельчение лузги + азот в форме углекислого аммония + 0,11 5–7 320±3,09 80 70 54 2,1·10– микробиологический препарат Сравнительное изучение способов предварительной подготовки грибно го отхода на основе подсолнечной лузги показало, что такие способы, как кипячение, размалывание, добавление аммонийного азота, изменяют их фи зические свойства.
При измельчении увеличение поверхности целлюлозы, доступной для ферментов, приводит к размягчению массы, и это, по нашему мнению, играет заметную роль в создании условий для вермикультивирования. Добавление микропрепаратов и использование аммонийного азота увеличивает коэффи циент теплопроводности до 0,6–0,11 Вт/(мч°С), ускоряя разогревание орга нической массы в процессе предварительного компостирования. Разбухание компостируемой массы в вариантах с использованием биологических пре паратов было наиболее интенсивным. Показатель разбухания органических частиц позволяет говорить о возможности поддержания наиболее благопри ятного режима влажности, что особенно важно для целлюлозоразрушающих организмов, ускоряющих процесс разложения. Размягчение массы отходов вызвало увеличение степени водопоглощения по сравнению с контролем. По всем изучаемым вариантам увеличивается коэффициент реакционной спо собности по сравнению с контрольным. Наибольшее увеличение произошло в варианте с использованием аммонийного азота и составило 2,9·10–2. Про странственная доступность реакционных центров потенциально увеличивала число биохимических реакций. За счет этого ускорялся срок ферментации.
При комбинированном способе подготовки субстрата к ферментации разло жение целлюлозы протекает быстрее. Анализ содержания гемицеллюлоз и целлюлоз (табл. 5) показал, что снижение целлюлозы в процессе компостиро вания лузги идет медленнее, чем фракций гемицеллюлоз.
Лишь на 30-й день произошло уменьшение целлюлозы во всех изучаемых вариантах, причем в первом варианте, где добавляли азот в форме углекис лого аммония и проводили полив разведенным микробиологическим препа ратом компостирующего действия, уменьшение целлюлозы составило 5%, затем темп изменения несколько снизился. В этом же варианте активно шло изменение связанного ксилана, который содержит ацетильные группы слож ноэфирной природы, что, по нашему мнению, также затрудняет вермикомпо стирование. Темпы разложения при комбинировании механического размола и внесения азота в форме углекислого аммония были быстрее в варианте с использованием микробиологического препарата и обеспечили необходимые показатели для процесса вермикомпостирования на 40 дней раньше, чем без микробиологического препарата.
Обедненный азотом, фосфором, калием состав отхода не позволил полно ценно существовать популяции дождевого червя. Необходимость улучшения ресурса питания потребовала добавления в ферментированную лузгу доступ ных сельскохозяйственных отходов.
Таблица 5 – Изменение содержания гемицеллюлоз и целлюлоз в отходе грибоводства при аэробном разложении в зависимости от вариантов опыта, % (в пересчете на количество, первоначально содержавшееся в 100 г органического вещества) Показатель, % на начало срок эксперимента (дни) Показатель Вариант экспери 10 30 40 60 мента Орг. вещество Вариант 1: измель чение + азот в форме углекислого аммония 98,3 95,3 92,2 91,6 79, + микробиологический 98, препарат Вариант 2: измельчение лузги + азот в форме 98,7 98,0 97,5 94,9 90, углекислого аммония Целлюлоза Вариант 1 27,3 23,4 18,4 13,8 10, 31, Вариант 2 31,0 30,2 29,1 20,9 17, Связанный Вариант 1 17,0 15,8 11,2 10,1 9, 18, ксилан Вариант 2 16,7 16,6 13,3 12, 2 10, Группы во фракциях гемицеллюлозы:
Уроновая к-та Вариант 1 2,2 2,0 1,9 1,6 1, 2, Вариант 2 2,5 2,5 2,0 2,0 1, Безводная Вариант 1 16,8 12,4 8,5 6,6 5, 19, пентоза Вариант 2 18,3 17,2 15,3 14,4 11, Пектин в фор- Вариант 1 1,93 1,74 1,31 1,23 1, 2, ме пектата Вариант 2 2,21 2,01 1,98 1,80 1, Вариант 1 – измельченный грибной отход на основе подсолнечниковой лузги + азот в форме углекислого аммония + микробиологический препарат.
Вариант 2 – измельченный грибной отход на основе подсолнечниковой лузги + азот в форме углекислого аммония.
На основе двухфакторного опыта были изучены три смеси грибного от хода с навозом КРС, козьего и птичьего помета и два препарата, выпускаемых отечественной микробиологической промышленностью, – биорегуляторы «Байкал» и «Компост». Микробиологическое изучение субстратов показало, что в контрольных вариантах наиболее активно развивались грибы и микро мицеты. Наблюдаемые комплексы микроорганизмов в опытных вариантах имели ярко выраженные отличия в зависимости от вида добавок. Число коло ний преобладало в варианте с навозом КРС и с добавлением «Байкала», и с добавлением «Компоста». Количество микромицетов было наибольшим в ва риантах с навозом КРС. В этом же варианте отмечено и наибольшее видовое разнообразие бактерий, а также увеличилось количество колониальных форм микроорганизмов, которые являются наиболее стабильной частью микробио тического комплекса. Отмечено наличие миксобактерий в вариантах с наво зом крупного рогатого скота и козьим. Этот вид бактерий участвует в гидро лизе целлюлозы, и именно в данных изучаемых вариантах распад целлюлозы шел более активно. Родовое разнообразие микроорганизмов наиболее широко представлено в вариантах с использованием навоза крупного рогатого скота.
В данном варианте отмечены спириллы с характерным розоватым оттенком, отнесенные нами к роду Azospirillum, подвижные вибрионы Gellvibrio, звезд чатые скопления Seliberia stellata (табл. 6).
Во всех вариантах, кроме чистого отхода грибоводства без добавок, были обнаружены свободноживущие аэробные азотофиксаторы (Azotobacter), при чем наибольшее количество представлено также в варианте с добавлением навоза крупного рогатого скота. В варианте с птичьим пометом отмечены слизистые бактерии рода Beijerinckia, что можно объяснить повышенной кис лотностью субстрата.
Представители рода Pseudomonas отмечены в варианте с добавлением навоза крупного рогатого скота. Во всех вариантах отмечены виды Bacillus virgulus, Bacillus cereus, Bacillus Agglomeratus. В варианте с козьим навозом выделены бактерии Bacillus circulans и Clostridium polymyxa. Наибольшее ко личество аммонифицирующих видов наблюдалось в вариантах с использова нием птичьего помета и было в 3–5 раз больше по сравнению с контролем.
В вариантах с добавлением птичьего помета значительно увеличилась чис ленность Bacillus cereus и Pseudomonas fluorescens.
Данная тенденция прослеживается в вариантах и с «Байкалом», и с «Ком постом». Выделенные виды аммонифицирующих бактерий относят к гетеро трофным и безусловно влияют на степень разложения изучаемого органиче ского отхода.
При добавлении навоза КРС и препарата «Байкал» к грибному отходу пока затель общего азота увеличился на 1,73%, а с препаратом «Компост» – на 1,05%.
Вариант с козьим навозом незначительно повысил содержание азота при приме нении препарата «Компост» – всего а, % на 0,58, но с «Байкалом» повышение 3,5 3, составило 1,06% (рис. 7). а Наиболее благоприятные усло- 2, вия для жизнедеятельности Eisenia К foetida сложились в вариантах, где 1, 1, показатель общего азота составил 3,3%. 0, 0, 0, 0, В варианте с добавлением на- 0,075 0,13 0, воза КРС в соотношении 1:1 и ми Г. На КРС П К а кропрепаратом «Байкал» за более В а короткий срок сформировались А О Рис. 7 – Содержание азота необходимые для вермикомпости в изучаемых субстратах рования свойства.
Таблица 6 – Учет численности аммонифицирующих микроорганизмов при рецептуре составления субстратов для вермикомпостирования из отхода грибного производства на основе лузги подсолнечника Всего видов Из них низмов, шт.
микроорга Вариант Bacillus Bacillus Pseudomonas Pseudomonas спо mycoides cereus fluorescens herbicola ровых форм, % (колоний) (колоний) (колоний) (колоний) Отход грибо 2 5 – 10 ±0,90 7 ±0,84 – водства Отход гри боводства + 4 42 25 ±1,76 32 ±1,08 29 ±0,97 40 ±1, навоз КРС 1: Контроль Отход гри боводства + 4 25 39 ±0,89 59 ±0,93 58 ±1,12 48 ±0, птичий помет 6: Отход гри боводства + 4 40 37 ±0,92 33 ±0,87 34 ±1,14 46 ±1, козий навоз 1: Отход грибо 2 7 – 16 ±0,74 12 ±0,80 – водства Отход гри боводства + 4 64 37 ±0,89 37 ±1,00 34 ±0,92 45 ±1, навоз КРС 1: «Байкал»
Отход гри боводства + 4 28 46 ±0,91 60 ±1,12 61 ±0,98 54 ±0, птичий помет 6: Отход гри боводства + 4 57 44 ±1,11 32 ±0,97 35 ±0,92 49 ±1, козий навоз 1: Отход грибо 2 14 – 19 ±0,73 16 ±0,85 – водства Отход гри боводства + 4 65 41 ±0,39 38 ±1,04 36 ±0,81 50 ±0, навоз КРС 1: «Компост»
Отход гри боводства + 4 31 51 ±1,16 71 ±0,62 65 ±1,00 59 ±0, птичий помет 6: Отход гри боводства + 4 62 48 ±0,95 40 ±0,83 40 ±0,92 57 ±0, козий навоз 1: Наблюдение за самопроизвольным заселением субстрата другими беспо звоночными показало, что специфические виды, характерные для субстратов из навоза различных видов животных, отличались от субстратов на основе подсолнечной лузги.
Так, широко распространенные в навозе тихоходки (Tardigrada) практи чески не встречались в изучаемых субстратах. Зато количество нематод воз растало. Мы полагаем, что это связано с отсутствием естественных врагов и с достаточной пищевой базой в виде грибного мицелия. Это согласуется с мнением некоторых ученых-зоологов, которые приводят факты активного по требления грибного мицелия нематодами, которого было много в изучаемом отходе (Звягинцев Д.Г., 1989;
Стриганова Б.Р., 1980;
Курчева Г.Ф., 1971 и др.).
Максимальное количество нематод (5,8·104 на 1 м2) отмечено в верхних слоях субстрата, в варианте c использованием препарата «Компост», а наименьшее (0,6·104 на 1 м2) – в контрольном варианте (в бурте, нижний слой). В этом же варианте отмечено и наибольшее число коллембол (Collembola) – 5,66· особей на 1 м2, а минимальное – в контрольном варианте (3,3·105 особей на 1 м2). В варианте с использованием препарата «Байкал» отмечалось появле ние энхитреид (Enchytraids) сем. Oligochaeta.
Быстрее всего процесс биологической утилизации протекал в варианте из отхода грибоводства в смеси с навозом КРС с добавлением микропрепарата «Байкал» (30 дней). Вариант грибного отхода без добавок не был готов даже на 60-й день опыта, причем мы наблюдали отсутствие молоди и снижение массы тела взрослых червей, что говорит о голодании. Самопроизвольное за селение беспозвоночных носило в этом варианте временный характер, и на момент наблюдений большого разнообразия макрофауны отмечено не было.
В основном отмечалось появление многоножек Geophilus (отр. однопарноно гих) Кл. Arthropod.
Активная работа биоты в других вариантах не только ускорила процесс трансформации органической массы, но и улучшила качественный состав го тового вермикомпоста (табл. 7).
Для оценки экологической безопасности полученного удобрения мы про вели анализ на тяжелые металлы, который показал, что ни в одном из изучае мых вариантов нет превышения по ПДК.
Оптимизация применения золы В разделе по оптимизации использования золы растительного проис хождения после изучения свойств золы было изучено влияние доз внесения золы под растения картофеля (Solanum tuberosum) в условиях открытых и под растения томатов (Lucopersicum esculentum), в условиях закрытых агроэкоси тем. Результаты исследования показали эффективность ее применения.
В результате обследования фитосанитарного состояния фитообъектов от мечается, что использование золы в качестве предпосадочной обработки уси лило толерантность растений и в опытных делянках, заболевших растений обнаружено не было. В варианте с использованием золы в дозе 6 ц/га внеш ние признаки фитофтороза (Phytophthora infestans) появились в конце второй декады августа и составили лишь 3% к общему числу растений. Наибольшее количество заболевших растений было в варианте с использованием золы в дозе 1 ц/га, что составило 20% к общему числу исследуемых растений, при чем первые признаки заболеваний появились в первой декаде июля. Во всех вариантах, в том числе и в контроле, наблюдалось появление «черной ножки»
– заболевания, вызванного Basillius phutopthorus. В варианте с использовани ем золы в дозе 3 ц/га растений с признаками этого заболевания было мало и составило 1% от общего числа наблюдаемых растений.
Таблица 7 – Качественный состав полученного удобрения Показатели, % на сырое вещество органи Вариант азот фосфор калий влага ческое (общий) вещество Отход грибоводства 0,88 0,07 0,75 50,4 85, Отход грибоводства 2,12 0,58 0,71 61,13 65, + навоз КРС 1: Отход грибоводства Контроль 2,56 1,44 1,38 64,1 78, + птичий помет 6: Отход грибоводства 2,84 1,14 0,65 59,4 68, + козий навоз 1: Отход грибоводства 2,06 0,35 0,88 66,2 72, Отход грибоводства 3,39 0,77 0,99 69 53, + навоз КРС 1: «Байкал» Отход грибоводства 2,35 1,6 1,92 64,5 67, + птичий помет 6: Отход грибоводства 2,29 1,43 0,73 56,4 59, + козий навоз 1: Отход грибоводства 1,99 0,37 0,8 65,4 75, Отход грибоводства 2,73 1,73 0,77 54,1 55, + навоз КРС 1: Отход грибоводства 1,94 1,89 1,04 52,5 73, «Компост» + птичий помет 6: Отход грибоводства 1,93 1,74 0,76 52,9 60, + козий навоз 1 : Стандартное от 0,61 0,63 0,36 6,27 9, клонение Отмечено положительное влияние всех изучаемых доз золы на фор мирование фотосинтетического аппарата. Площадь листовой поверхности растения в период начала формирования клубней (начало фазы цветения) в изучаемых вариантах была выше контрольной на 10,6–17,9% и составляла 0,90–0,89 м2 в вариантах с дозой 3 и 6 ц/га, что позволило в этих вариантах сформировать большую массу клубней – 659,6–730,6 г на растение соответ ственно. В конечном итоге общая продуктивность клубнеплодов была выше на дозе 6 ц/га и составила 290,2 ц/га.
Таблица 8 – Влияние вариантов опыта на рост и развитие растений картофеля Структура клубнеплодов Площадь Масса Кол-во дней межфазного картофеля, % на листовой клуб периода 1 растение поверх- ней Вариант ности, в г/на от пос. от всход. от всход. мел- сред- крупная м2/на 1 расте до до буто- до ска- кая до няя более растение ние всход. низац. шивания 30 г 30–80 г 80 г Контроль 25 24 77 0,76 478,3 44,5 32,0 23, Доза 1 ц/га 25 24 82 0,88 576,7 33,5 42,0 24, Доза 3 ц/га 27 22 88 0,90 659,6 20,0 36,0 44, Доза 6 ц/га 23 21 66 0,89 730,6 17,0. 34,0 49, Опудрива 22 22 82 0,84 714,8 34,0 34,5 31, ние Положительное действие золы на формирование клубней картофеля объ ясняется наличием в ней калия, который не только обеспечивает, но и уско ряет приток ассимилянтов из листьев и стеблей в клубни. Поскольку калий участвует в механизме транспорта ассимилянтов в качестве своеобразного переносчика и образует соединения с сахарами и аминокислотами, его влия ние и привело к повышению количества сахаров в вариантах с высокими до зами золы. Такие факты отмечались исследователями Белецкой Е.К. (1964);
Браун Э.Э. (1999).
Наиболее оптимальные условия для метаболизма сахарозы в крахмал сложились в варианте с дозой золы 6 ц/га, обеспечившей повышение содер жания крахмала по сравнению с контрольным вариантом в 1,3 раза (табл. 9).
Являясь комплексным микро- и макроудобрением, зола оказала влияние на увеличение содержания аскорбиновой кислоты. Накопление аскорбиновой кислоты понизило содержание нитратов в продукции с экспериментальных делянок, а это привело к снижению накопления белка в клубнеплодах. Наши данные согласуются с исследованиями Т.Н. Большовой (1978), которая отно сит аскорбиновую кислоту к ингибиторам реакции нитрозирования.
Оптимизация приемов использования золы была проведена при создании комплекса с микробактериальными препаратами азотобактерином, фосфоро бактерином, силикатобактерином, что позволило сформировать продуктив ную массу растений. В вариантах с использованием препаратов наибольшую площадь листовой поверхности, по сравнению с контролем, сформировали растения в варианте с использованием силикатных бактерий 1,05 м2. Уста новлено, что совместное применение золы и бактериальных препаратов уве личивало в структуре урожая общее количество крупных и средних клубней в варианте с фосфоробактерином до 73,7%, в варианте с силикатобактерином до 75,4%. Применение азотобактерина повысило урожайность картофеля, од нако по сравнению с другими видами бактериальных удобрений в структуре урожая преобладала мелкая фракция (44,8%), что можно объяснить дефици том влагообеспеченности. Более эффективным из изучаемых вариантов оказа лось комплексное применение силикатобактерий, в котором продуктивность клубнеплодов составила 364 ц/га, что на 38% выше контрольного варианта.
Таблица 9 – Влияние золы на биохимические показатели клубней картофеля Сахара Аскорбино Нитраты, Крахмал, Сырой Вариант вая кислота, редуци- об мг/кг % белок, % мг/% рующие,% щие,% Контроль 81,7 14,6 13,4 1,73 4,24 3, Зола из расчета 6 ц/га 57,7 19,2 20,4 1,80 5,61 1, Зола из расчета 3 ц/га 69,2 18,0 15,7 2,00 4,19 2, Зола из расчета 1 ц/га 73,5 17,5 15,1 1,74 3,98 2, Опудривание 75,6 16,4 14,5 1,69 2,87 3, Станд. отклон. 8,95 1,74 2,69 3,90 0,97 0, *ПДК нитратов для картофеля 250 мг/кг сырой массы В закрытых агросистемах изучали внесение золы в разных дозах и ком плексное применение с вытяжкой из вермикомпоста при выращивании тома тов (Lucopersicum esculentum). Биометрические измерения растений показы вают, что опережение в росте и развитии томатов наблюдалось в вариантах с использованием золы в дозе 150, 300 г на квадратный метр и в варианте с комплексной подкормкой 150 г золы и вытяжкой из вермикомпоста.
Наиболее интенсивный прирост дали растения в варианте с исполь зованием 150 г золы и вермикомпоста. В первый срок измерения высота Lucopersicum esculentum на этом варианте превосходила контрольный на 20%. В остальных вариантах растения были выше контрольного на 5–9%.
Варианты с дозами 300, 450 и 150 г золы с вермикомпостом ускорили по явление соцветий на 20 дней. Наибольшее количество соцветий на протяже нии всех дат измерений было отмечено в варианте 150 г золы и вермикомпост и составляло 3,2–5,0–7,1, тогда как на контрольном варианте количество со цветий было 2,0–3,0–4,8 соответственно. В вариантах с комплексным исполь зованием золы и вытяжки из вермикомпоста фаза начала цветения наступала раньше, чем в остальных вариантах, и опережала контроль на 14 дней. Повы шенный фон азотного питания после подкормки вермикомпостом вызвал ин тенсивный рост вегетативной массы растения, и поэтому межфазный период был длиннее на 2–4 дня, чем в вариантах с использованием одной золы.
В среднем за два года продуктивность за оборот составила 9,6 кг с 1 м2 в варианте с дозой 300 г золы и 10,6 кг с 1 м2 – с дозой 150 г и вермикомпостом.
Таблица 10 – Структура плодов томатов (Lucopersicum esculentum) в вариантах опыта Средняя Количество плодов, Продуктивность плодовой Вариант опыта масса массы, кг/кв.м плода, г шт./раст. шт/кв.м Контроль 31,7 79,4 94 7, 150 г золы 36,5 91,3 96 8, 300 г золы 39,2 98,0 98 9, 450 г золы 32,8 82,1 95 7, 150 г золы + 41,7 104,4 102 10, вермикомпост НСР001 4,23 2,60 0,45 0, Биологическая утилизация промышленных отходов В разделе 3.6 обсуждаются вопросы, связанные с созданием условий для утилизации отработанных цеолитов при выращивании растений гидропон ным методом. Для успешного проведения биологической утилизации необ ходимо создание благоприятной среды обитания для фитообъектов. Оценена возможность витализации среды из цеолитовых отходов на основе изучения механических, электрических, химических свойств. Изучаемые цеолиты име ют широкие поры, в которые могут проникать молекулы. За счет химической обработки и обменных катионов мы модифицировали алюмосиликатный кар кас. При правильном выборе условий модифицирования цеолит действует как катализатор, что позволяет осуществлять химическое превращение в же лаемом направлении. Установлено, что агрохимические свойства цеолитов за висят от их исходного химического состава, термообработки, промывания экс трагентами и длительности взаимодействия с ними, а также от размера частиц.
Водно-воздушные свойства цеолита ухудшаются с уменьшением размера ча стиц. Мелкие фракции (0–1 мм) цеолита, представленного клиноптилолитом, с Сокирницкого и Тетзамского месторождений отличаются большой плот ностью (1,02–1,14 г/см3), увеличенным объемом твердой (41–45%) и жидкой (54–58%) фаз и резким снижением скважности аэрации (1%) по сравнению с крупными фракциями цеолитов (2–3 мм) – 0,94–1,05 г/см, 37–42%, 29–37% и 16% соответственно. Исходные цеолиты (КлТ и КлС) подщелачивают как воду, так и питательный раствор. После обогащения сокирницкий цеолит подкисля ет воду и питательный раствор на 0,1–0,8 единиц pH, а обогащенный цеолит Тедзамского месторождения подщелачивает воду и питательный раствор.
Влияние экстрагентов на цеолиты неравноценно. В воде под воздействи ем разных образцов цеолитов увеличивается содержание всех анализируемых химических элементов. В значительной степени в воду выделяются P2O5, Ca и Mg из образцов тедзамского и сокирницкого цеолита. По истечении 60 дней и до конца опыта в вытяжке КлТ растет концентрация N–NO3. Характерным свойством тедзамского цеолита (КлТ) является усиленное выделение Na (148–312 мг/л) в первый день опыта и 287–474 мг/л раствора в конце опыта.
При взаимодействии цеолитов с питательным раствором обнаруживается их сложный взаимный ионный обмен. Цеолиты обоих месторождений незави симо от их химического состава активно поглощали калий из питательного раствора. Концентрация калия в питательном растворе при взаимодействии его с цеолитами снизилась от 8 до 18 раз. При взаимодействии цеолитов с од ним из экстрагентов они проявляют разную химическую активность. Так, на 120-й день опыта сумма ионов (Сa, K, Mg, Cl), анализируемых в водной вы тяжке тедзамского исходного цеолита (КлТ), была равна 387,3 мг/л, а в той же вытяжке сокирницкого исходного цеолита (КлС) – 43,1 мг/л. В целом можно констатировать, что цеолиты являются химически активными минеральны ми материалами. Наибольшую активность проявляют обогащенные формы цеолитов по сравнению с исходными, а особенно – тедзамский цеолит. Вы работана технология их использования под растительные объекты. При этом состояние биообъектов оценивалось комплексно по биометрическим, биохи мическим, фитосанитарным и продуктивным характеристикам.
Эксперимент по выращиванию культуры томата (Lucopersicum esculentum) на цеолитовых гидропонных субстратах показал, что растения, выращиваемые на цеолитовых субстратах (Тедзамского и Сокирницкого про исхождения) с питательным раствором, были выше контрольных ростом, но с меньшим диаметром стебля и имели большее количество листьев, а также кистей, завязей и плодов. Обогащение тедзамского цеолита оказалось избы точным – растения достигали высоты 30–40 см и прекращали рост, развивали мелкие листочки, не давали урожая.
В других вариантах витальность среды доказывается хорошими био метрическими показателями и высокой продуктивностью испытуемого рас тения (табл. 11). Достоверная прибавка плодовой массы отмечена лишь во втором варианте.
В начальный период роста активное нарастание вегетативной массы от мечено в вариантах со 100% тепличного грунта + подкормки NPK и 100% цеолита + подкормки NPK. Растения остальных вариантов имели меньшее количество листьев и кистей. Особенно замедлен был рост в 5, 7, 8 вариан тах. Дефицит азота в этих трех вариантах явился основным сдерживающим фактором роста растений. Содержание хлорофилла в листьях изменялось в зависимости от срока вегетации (табл. 12).
Максимальное количество пигмента отмечено 21 июня в 1 варианте, ми нимальное – в 7, 8, 3. К периоду массового плодоношения и до 22 августа со держание хлорофилла возрастало по всем вариантам, кроме первого, что свя зано с дополнительными подкормками элементами питания, которые начали Таблица 11 – Характеристика растений и продуктивность плодовой массы культуры томата (Lucopersicum esculentum) (среднее за 1990–1991 гг.) Масса сырого Общая продуктив Урожай на 136-й материала, г Ср. масса ность плодовой Вариант день от посева с плода, г массы с 1 растения, ли- сте- кор- растения, г кг стьев блей ней 1. Контроль 193,7 100,4 31,3 78,6 539,0 1, 2. КлТ+п.р. 231,2 107,7 49,9 66,4 697,7 1, 3. КлС+п.р. 322,5 158,8 52,2 55,6 581,4 1, 4. КлТо+вода 19,7 8,0 4,9 5,3 16,0 0, 5. КлСо+вода 108,3 50,5 22,2 63,9 550,1 0, Станд. откл. 116,0 51,6 18,4 28, НСР05 94,14 г 0, Таблица 12 – Содержание хлорофилла в листьях томата, мг/л 21.06.92 22.08. Вариант хлоро- хлоро- хлоро- хлоро А+В А+В филл-А филл-В филл-А филл-В 1. 100% тепличный грунт + под 4,02 2,33 6,35 2,95 2,91 5, кормки NPK (К1) 2. 100% цеолит + подкормки 2,31 2,09 4,40 3,22 2,71 5, NPK (К2) 3. 100% цеолит + NPK цеолит + NPK подкормки в расчете на 2,66 1,05 3,71 2,68 2,63 5, планируемый урожай 4. 100% цеолит + NP подкорм ки в расчете на планируемый 3,32 1,16 4,48 3,69 3,04 6, урожай 5. 100% цеолит + PK цеолит + PK подкормки в расчете на 3,0 1,22 4,22 2,82 2,77 5, планируемый урожай 6. 100% цеолит + NK подкорм ки в расчете на планируемый 3,0 1,11 4,11 3,69 2,95 6, урожай 7. 100% цеолит + P цеолит в рас 1,77 0,45 2,22 2,49 2,51 5, чете на планируемый урожай 8. 100% цеолит + K цеолит в 1,21 0,49 1,70 2,44 2,47 4, расчете на планируемый урожай 9. 100% цеолит + N цеолит в 2,77 1,51 4,28 2,63 2,56 5, расчете на планируемый урожай Стандартное отклонение 0,83 0,63 1,34 0,47 0,20 0, осуществлять 23 июня на вариантах с использованием цеолитов. Отмечена растянутость периода сбора плодов, основная масса которых собрана в по следнюю декаду вегетации. Относительно равномерно поступали плоды в 1 и 2 вариантах. Затянулось созревание в 4 варианте – без внесения калия (46,4% плодов пришлось на последнюю декаду). Максимальная прибавка плодов по лучена в 3 варианте – 11,4% по отношению к цеолитовому контролю (рис. 8).
Ва. Ва. Ва. Ва. Ва. Ва. Ва. Ва. Ва. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3, Рис. 8 – Соотношение плодов к вегетативной массе по вариантам опыта Продуктивность в 4–6 вариантах была ниже на 1,3–4,0% от контроля. Второй вариант без азота (5) дал плодов меньше на 13,8%, чем во втором контроле.
Наименьшая плодоотдача получена в 8 варианте (без азота и фосфора).
Благоприятное отношение массы плодов и вегетативных органов отмечено в третьем, втором и четвертом вариантах. Оптимальным по всем параметрам оказался вариант, где были внесены все элементы питания (3), неудовлетво рительным – тот вариант, где был внесен только калий (8). В период сбора плодов были проведены биохимические анализы для качественной характе ристики плодов. Можно отметить хорошее качество плодов томата по всем вариантам. Несколько выше было содержание сахаров во втором варианте.
Таким образом изучаемые способы применения удобрений на цеолито вых субстратах позволили приблизить их свойства к требованиям гидропон ных субстратов.
Биологическая утилизация коммунально-бытовых отходов В разделе 3.7 рассматривается возможность утилизации обезвоженных осадков бытовых сточных вод в почвах культурных ценозов как один из вари антов биологической утилизации. Принять решение о реутилизации осадков в почвах можно только после их сравнения с регламентом (ГОСТ Р 17.4.3.07– 2001;
СанПиН 2.1.7.573–96). Изучение обезвоженных осадков сточных вод Оренбургского водоканала и очистных сооружений пос. Павловка показало контрастность их свойств. Так, в осадках сточных вод очистных сооружений Оренбургского МП ПУВКХ старых сроков закладки содержится меньше тя желых металлов. Осадки 2000 года хранения по содержанию меди в 52 раза превышают осадки 1975 года хранения, по содержанию никеля – в 3,6 раз.
Наблюдается тенденция к увеличению содержания цинка. С 1987 года отме чается превышение предельно допустимых концентраций по цинку. В 27, раза возросло его содержание в осадках поздних сроков хранения. Кроме того, низкое содержание доступных питательных веществ в этих осадках ин гибирует рост индикаторных растений.
Таким образом, возможность их реутилизации в агроценозах рассма триваться не может. Обезвоженные осадки бытовых сточных вод очистных сооружений пос. Павловка по всем регламентируемым параметрам оказались приемлемыми для использования в агроценозах. Применение данных ОСВ улучшило агрофизические свойства почв. С возрастанием доз внесения ОСВ повышалось количество ценных структурных фракций и увеличилось про центное соотношение водопрочных агрегатов по каждой фракции. Стати стическая обработка результатов выявила положительные корреляционные связи между процентным соотношением ценных фракций и численностью люмбрицид (r 0,74), мокриц (r 0,77), а также жесткокрылых (r 0,82).
Продолжая говорить о модели «отход–редуцент–удобрение» (рис. 9), не обходимо отметить, что при использовании множества редуцентов вероят ность перехода из одного состояния в другое предсказать достаточно сложно, но на основании физических и химических состояний отхода мы можем пред сказать возникновение доминантных сообществ, предпочитающих опреде ленные условия существования. Изменение структуры сообществ почвенных организмов-редуцентов, активность их деятельности в условиях конкурент Рис. 9 – Схема биологической утилизации в почвенных условиях ных и симбиотических отношений заставляет нас вводить вероятностные по казатели. Вероятность перехода из одного состояния отхода в другой будет зависеть от числа и вида популяций редуцентов, а также других абиотических и биотических факторов.
Для обоснования доз внесения осадков был заложен опыт на индикатор ных растениях (по Рубцову, 1978) с высокой продуктивностью: перце сладком (Capsicum annuum) и баклажане обыкновенном (Solanum melongenа). Во все годы исследования в вариантах с дозами внесения ОСВ шел активный при рост вегетативной массы изучаемых фитообъектов и наблюдалось значимое увеличение биологической продуктивности по всем годам исследования по сравнению с контролем (рис. 10 и 11).
5 0 2005 2006 2005 2006 К ОСВ 40 / а ОСВ 60 / а ОСВ 80 / а К ОСВ 40 / а ОСВ 60 / а ОСВ 80 / а Рис. 10 – Продуктивность Рис. 11 – Продуктивность Capsicum annuum Solanum melongena Наибольшая прибавка урожая в среднем отмечена в варианте с дозой вне сения ОСВ 60 т/га и составила у Capsicum annuum 88%, у Solanum melongena – 46% относительно контроля.
Несмотря на повышение плодовой продуктивности, решение об исполь зовании ОСВ в качестве удобрений должно приниматься на основании изуче ния качественных показателей плодов (табл. 13).
Таблица 13 – Динамика содержания нитратов в плодах индикаторных растений, мг/кг Capsicum annuum Solanum melongena Вариант Периоды вегетации Периоды вегетации начало середина конец начало середина конец Контроль 70,1±1,06 75,2±1,14 15,0±0,12 87,2±1,25 79,5±4,48 9,4±0, ОСВ 40 т/га 52,7±2,15 79,9±1,67 16,5±0,08 91,6±0,57 89,3±0,69 9,9±0, ОСВ 60 т/га 58,9±1,77 81,0±0,95 12,5±0,05 99,9±0,93 91,1±0,30 10,6±0, ОСВ 80 т/га 65,3±0,31 84,7±0,79 11,1±0,12 104,1±1,88 110,7±1,14 11,1±0, ПДК 200,0 200, Анализ динамики накопления нитратов в Capsicum annuum показал, что наибольшие концентрации в плодах были в середине вегетационного периода в варианте с дозой внесения ОСВ 80 т/га – 84,78 мг/кг. В этом же вариан те в конце вегетации мы наблюдали минимальную концентрацию нитратов (11,18 мг/кг) относительно других вариантов. Концентрации тяжелых метал лов в плодах растений по всем вариантам были значительно ниже ПДК.
В рамках прикладной экологии управление агроэкосистемами затрудне но из-за свойства эмерджентности, т.е. не всегда можно учесть и скоорди нировать структурно-функциональную организацию компонентов почвы и взаимодействующего с ним биоценоза. Однако именно эти взаимодействия и определяют качество почвы. Агроэкосистемы обеднены видами биоты из-за постоянной механической обработки, и этот дисбаланс мы можем устранить за счет создания дополнительной пищевой базы.
Поскольку плодородие почвы зависит в большей степени от зоомикроби ального комплекса (Аристовская, 1980;
Андерсон и др., 1987;
Стебаев, 1984), необходимо оценить дозы осадков с точки зрения создания благоприятных условий для почвенных организмов по пищевым ресурсам. Отмечено, что в контрольном варианте активность целлюлозоразрушающих организмов была средней (по шкале Звягинцева, 1980), и разрушение льняного полотна состави ло 48%. При внесении осадков степень разрушения полотна составила: с дозой ОСВ 40 т/га – 68%;
60 т/га – 76%;
80 т/га – 84%. Целлюлозоразлагающая микро флора была представлена родами Bacillus, Clostridium. Органическое вещество, внесенное в виде осадков сточных вод, послужило благоприятным субстратом для развития Actinomyces, почвенных дрожжей Lipomyces и других представи телей родов Mucor, Aspergillus, Penicillium. Следует отметить, что наибольшая численность спороносных бактерий родов Bacillus и Clostridium наблюдалась в контрольном варианте и в дозе внесения ОСВ 40 т/га, а численность рода Azotobacter была выше контрольного при дозе ОСВ 60 и 80 т/га.
Прослеживается связь увеличения продуктивности растений Capsicum annuum и Solanum melongena на вариантах с преобладанием ассоциации азот фиксирующих бактерий.
В трансформации и разложении органических веществ, входящих в со став ОСВ, принимают участие не только многочисленные виды микроорга низмов, но и животные, входящие в состав зоомикробиального комплекса. Их численность варьировала в зависимости от доз. Численность Protozoa была максимальна при дозе внесения ОСВ 80 т/га и составляла 9,5 тыс./1 г почвы, что больше, чем в контроле, в 2 раза. Представители микрофауны Rotatoria лучше размножались на делянках с внесением ОСВ в дозе 60 т/га с превыше нием численности на 81% по сравнению с контролем.
Увеличилось количество представителей семейства Lumbricidae, ко торые считаются основными потребителями детрита, однако ряд авторов (Leger, Millette, 1979;