Подзолистые почвы Севера бедны органикой и при их освоении требуется внесение огромного количества органических и минеральных удобрений. Традиционно для этих целей используется торф. Вместе с тем, по имеющимся данным известно, что торфоразработками разрушено до 80% земель в разных районах Республики Коми и рекультивировано лишь в одном районе 0.5% земель, а в других - ни одного гектара. Хорошо известно, что болотные угодия являются источником биологических ресурсов, регуляторами водного баланса территорий. Разрушение болотных систем приводит к серьезным нарушениям экологической ситуации. С другой стороны, серьезной экологической проблемой является необходимость утилизации промышленных отходов и их вовлечения в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья.
Результаты исследований и проведенных испытаний свидетельствуют о возможности эффективно решать проблему утилизации отходов лесоперерабатывающих производств, в частности, гидролизного лигнина с одновременным решением упомянутых экологических проблем, а также для повышения плодородия северных земель .
Ранее лабораторией биологии почв и природовосстановления Института биологии Коми научного центра УрО РАН, которая имела лицензию на обращение с отходами, разработан и запатентован способ получения органо-минерального удобрения (Арчегова и др., 1997) - биологически активный компост путем биологической трансформации гидролизного лигнина (отхода гидролизного производства кормовых дрожжей) с куриным пометом и древесными опилками. Гидролизный лигнин, использующийся непосредственно с производства, обладал высокой кислотностью и характеризовался повышенным содержанием фенолов, поэтому основными задачами в процессе его утилизации были снижение кислотности и деструкция фенолов. Данный эффект достигался за счет применения гриба Pallilomices variotti. Получаемое удобрение рекомендовалось к использованию для рекультивации техногенно-нарушенных земель.
Более десяти лет назад производство кормовых дрожжей на Сыктывкарском ЛПК было прекращено и на свалке остались многотоннажные отходы гидролизного лигнина. С течением времени, под влиянием атмосферных осадков и процессов естественной деструкции, рН лигнина достиг нейтрального значения. В связи с этим нами было проведено исследование по модификации ранее разработанного метода утилизации лигнина. Были поставлены следующие задачи: изменение компонентов в компостируемой смеси, расширение и подбор более эффективно работающей ассоциации грибов; изучение динамики химического состава получаемого компоста по этапам периода процесса биотрансформации.
В работе опробован новый состав компостируемой смеси: гидролизный лигнин, взятый со свалки; куриный помет заменен на навоз крупного рогатого скота; из состава смеси исключены древесные опилки.
Использована ассоциация следующих грибов - Panus tigrinus, Chrysosporum pannorum, Penicillium ochrochloron, Trichoderma lignorum, Trichoderma viride. Данные культуры, полученные из Всероссийской коллекции микроорганизмов и выделенные из органогенного горизонта дерново-подзолистых почв Республики Коми, являются хорошими биодеструкторами органических остатков.
Совместно с микроорганизмами при утилизации гидролизного лигнина ввели в технологический процесс вермикультуру.
Дождевые черви, или люмбрициды, улучшают физические и химические свойства почвы (уменьшают кислотность, увеличивают емкость обмена, обогащают почву органическим веществом, азотом, кальцием). Поглощая вместе с почвой огромное количество растительного детрита (распадающихся мертвых растительных тканей), микробов, грибов, водорослей, простейших, нематод и т.д., черви их переваривают. С копролитами выделяется большое количество собственной кишечной микрофлоры, ферментов, витаминов, биологически активных веществ, которые препятствуют развитию болезнетворной микрофлоры, подавляют гнилостные процессы, устраняют выделение зловонных газов, обезвреживают и обеззараживают почву.
В процессе переваривания мертвых органических отходов растительного и животного происхождения в пищеварительном канале червей формируются гумусные вещества. Они отличаются по некоторым своим свойствам, в частности, химическому составу и спектру микроорганизмов, от гумуса, образующегося в почве при участии только микрофлоры. В пищеварительном канале червей образуются комплексные соединения с минеральными компонентами почвы. Гуматы (соли гуминовых кислот) лития, калия, натрия и аммония водорастворимы, а гуматы кальция, магния и других тяжелых металлов образуют нерастворимые в воде соединения, которые долго, сохраняются в почве в виде стабильных агрегатов (водоемких, водостойких, гидрофильных и механически прочных). Они структурируют почву, делают ее водостойкой, водопроницаемой и воздухопроводной. В копролитах червей естественных популяций содержится 11-15% гумуса на сухое вещество, а в копролитах культивируемых червей содержание гумуса вдвое больше и составляет от 25 до 35% на сухое вещество.
Согласно этим данным в своих работах по биотрансформации отходов мы стали использовать промышленную популяцию, известную под торговой маркой «красный ка-лифорнийский червь». Предварительно проведена работа по адаптации данного червя к лигнину, в ходе которой было выявлено, что субстрат не вызывает существенного снижения продуктивности червей и вполне пригоден для их нормальной жизнедеятельности. Этот червь довольно производителен, плодовит, но сильно подвержен воздействию внешних факторов, в частности, окружающей температуре, что несомненно сказывается на технологическом процессе. Оптимальным температурным режимом для жизнедеятельности красного калифорнийского червя является +25 °С. В связи с этим параллельно мы стали вести работу по возможному использованию дождевых червей из местной дикой популяции, температурный режим продуктивной жизнедеятельности которых находится в пределах +18 °С.
Основной целью при проведении опытов являлось получение органического удобрения, в составе которого находилось бы оптимальное количество веществ в доступной для растений форме при минимальном промежутке времени компостирования. Таким образом, изучив несколько различных вариаций компостирования массы по длительности проведения опыта (до восьми недель), очередности внесения ассоциации грибов и верми-культуры, мы остановились на варианте продолжительностью в четыре недели.
Итак, схема опытов включала использование двух вариантов компостируемой смеси, т.е. соотношение лигнина к навозу составляло 5:1 и 3:1 соответственно. Первоначальная обработка субстратов производится смешанным инокулятом грибных культур (2.5 г/л на сух. массу) в соотношении по объему 1:1:1:1:1 из расчета 1 л на 100 кг субстрата. Влажность компостируемой смеси находится в пределах 60-65%. Компостирование под воздействием ассоциации грибов проходит в течение двух недель. Далее вносится верми-культура в количестве десяти взрослых особей на 1 дм3 субстрата и компостирование продолжается еще две недели.
Как видно из представленных графиков 1 и 2, после двухнедельного воздействия комплекса микроорганизмов наблюдается увеличение питательных элементов при обоих соотношениях лигнина к навозу, хотя при меньшей доле лигнина в смеси содержание фосфора и калия заметно больше. Содержание кальция и магния снижается, особенно в течение первой недели компостирования.
После внесения червей в течение третьей недели видны довольно резкое уменьшение азота, фосфора, калия (рис. 1, 2) и увеличение кальция и магния (рис. 3, 4). Завершающая четвертая неделя компостирования характеризуется в целом повышением содержания питательных веществ.
Итак, в течение четырех недель под влиянием ассоциации грибов и вермикультуры лигнин преобразуется в биологически активный компост, обогащенный легкодоступными для растений элементами питания, не токсичный, по своим свойствам сравнимый с хорошо известным биогумусом, что подтверждают наши лабораторные опыты на тест-растениях - кресс-салате и овсе.
Таким образом, ранее разработанный и модифицированный нами биотехнологический метод позволяет эффективно утилизировать один из широко распространенных промышленных отходов лесоперерабатывающих комбинатов, тем самым решая некоторые экологические проблемы, в том числе развития биологического земледелия.
ЛИТЕРАТУРА
- Игонин А.М. Дождевые черви: как повысить плодородие почв в десятки раз, используя дождевого червя-«старателя». Ковров, 2002. 192 с.
- Способ получения органического удобрения / И.Б. Арчегова, М.Ю. Маркарова, О.В. Громова. Заявка № 95109546/13 (016491) от 07.06.95. Решение о выдаче патента РФ № 2094414 от 29.08.96.
Автор: А.А. Горбунов, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН Е-mail: gorbunov@ib.komisc.ru