Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации проекта осуществлен подбор культур микроорганизмов различных систематических и эколого-трофических групп, способных к каскадной ферментативной деструкции органических соединений. Предварительно, в результате проведенных исследований в пробах помета индеек выявлено низкое количество и разнообразие микроорганизмов, но в отработанной подстилке обнаружен довольно высокий их титр. В образцах подстилочной массы содержатся представители резидентной микрофлоры желудочно-кишечного тракта птицы, а также мицелиальные грибы, сапрофитные спорообразующие бактерии. Преобладающей группой являются бактерии рода Bacillus, которые играют важную роль в процессах разложения отработанных подстилочных материалов после их размещения на полигоны хранения. Установлено, что деятельность аборигенной микрофлоры инициирует процессы аммонификации, но не обеспечивает деструкции лигноцеллюлознозной составляющей подстилочного материала, а деятельность зимогенных микроорганизмов может быть лимитирована температурным барьером, водородным потенциалом среды и целым рядом спонтанных факторов. Это явилось обоснованием применения специально подобранных функциональных комплексов микроорганизмов, использование которых обеспечило синхронизацию и воспроизводимость процессов биодеструкции, а также повысило их эффективность. На основе индивидуальных культур осуществлено составление комплексов микроорганизмов, физиолого-биохимический потенциал которых отвечает требованиям к микроорганизмам – деструкторам органического вещества. Первый функциональный комплекс микроорганизмов - представителей рода Nitrosomonas, с титром 5,0×105 клеток на грамм носителя, вносили в субстрат на матрице минерала глауконита. Такой прием стимулирует не только процессы нитрификации, но и аммонификации в компосте. Микробная система стремится компенсировать истощение потока аммиака за счет интенсификации поступления, в результате активизации деятельности аммонификаторов (по принципу обратной связи). Доля нитратного азота при этом увеличивается вдвое от контроля, сохранность общего органического азота в субстрате увеличивается до 15,0 % (вероятно, за счет убыли общей массы субстрата в эксперименте). В опытных вариантах установлено снижение средневзвешенной эмиссии аммиака в 1,5-1,8 раза. Это свидетельствует о связывании аммиака в процессах адсорбции и хемосорбции. Установлена также интенсификация убыли субстрата на 9,0% от контроля. Таким образом, установлен достоверный эффект деятельности привнесенных в ходе эксперимента нитрифицирующих бактерий. Изначально стерильный глауконит является удобным носителем функционального комплекса нитрифицирующих бактерий, поскольку служит матрицей для иммобилизации бактериальных клеток. Глауконит имеет щелочную природу и обогащен неорганическим фосфатом, который, находясь в среде с растущим водородным потенциалом (по ходу микробных процессов компостирования) будет переходить в растворимые формы (гидрофосфаты). Это может рассматриваться как доступный для реализации пролонгированный процесс обогащения субстрата биогенами in situ. Способ использования функциональной культуры нитрификаторов путем его интеграции с минеральным носителем стал приоритетным в создании концепции применения функциональных микроорганизмов – деструкторов и практической реализации всех последующих этапов исследований. Микробные процессы компостирования на стадиях аммонификации ведут к изменению реакции среды в результате образования аминов, ионов аммония и аммиака. Выделяющийся аммиак, взаимодействуя с водой, образует раствор гидроксида аммония, обладающий щелочными свойствами. Высокое значение рН субстрата (на уровне 8,0-9,5) служит одной из причин малого содержания и активности мицелиальных грибов в субстрате. Затем, в силу летучести аминов и аммиака, а также роста активности нитрификаторов реакция среды несколько смещается в кислую сторону и в конце стадии нитрификации фиксируется тенденция к росту водородного потенциала. Это создает условия для жизнедеятельности мицелиальных грибов – деструкторов лигноцеллюлозных компонентов субстрата. Поэтому в установлении сроков внесения функциональных комплексов микроорганизмов следует учитывать динамические изменения реакции среды, которые способны как активизировать, так и ингибировать активность деструкторов. С наступлением термофазы для деградации трудно разлагаемых целлюлозных компонентов в опытных вариантах в субстрат инокулировали функциональный комплекс термофильных мицелиальных грибов родов Thielavia и Myceliophthora в равных долях (5,0 % от объема субстрата) в виде взвеси клеток с титром 10,0-12,0 млн. клеток на литр культуральной жидкости. В контрольном варианте ферментация осуществлялась за счет естественной микрофлоры. О процессах деструкции целлюлозных компонентов судили по убыли целлюлозы. Термический этап компостирования обеспечил в эксперименте более эффективную деструкцию целлюлозы (на 18,1%) и убыль субстрата на 12,3% выше, чем в контроле. Полученные данные согласуются с динамикой эмиссии углекислого газа, снижение которой свидетельствует о включении освободившегося углерода в состав гуминовых соединений. Применение композиции из термофильных мицелиальных грибов родов Thielavia и Myceliophthora позволило уменьшить объемы твердых отходов и ускорить процессы их гумификации. С окончанием термофазы функциональная активность данной группировки снижается. В связи с этим, для компенсации потерь в темпах деструкции, на завершающем этапе ферментации субстрата инокулирован комплекс актиномицетов родов Cellulomonas и Nocardia. Установлено, что более полная реализация их потенциала стимулируется проведенным предварительно подкислением среды. Для этого в компост вносили 10%-ный раствор серной кислоты до достижения рН на уровне 6,3-6,8. Это позволило связать остаточные количества аммиака и создать благоприятные условия для деятельности почвообразователей – актиномицетов. Установлена убыль массы субстрата и содержания целлюлозы соответственно, на 9,8-12,1 % и 14,6-16,0 % от исходного по сравнению с контролем. Изменился цвет, запах и консистенция субстрата, причем для экспериментального образца был характерен типичный запах почвы и насыщенный бурый цвет. Физико-химические свойства полученного продукта позволяют рассматривать его как органоминеральное удобрение. Интегральным результатом реализации описанных приемов стала достоверная убыль массы отходов (на 21,5 % эффективнее, чем в контроле) и убыль целлюлозной составляющей (до 18,1 % интенсивнее контроля). Отмечено сокращение потерь азота, с учетом всех стадий, в среднем, на 33,5%, рост доли доступного фосфора на 16,0-18,0%, снижение эмиссии аммиака в атмосферу до 1,5-1,8 раза по сравнению с контролем в процессах аммонификации и нитрификации. Важным результатом реализации проекта, служат разработанные приемы модификации потенциала среды, позволяющие обеспечить регуляцию направленности и темпов процесса деструкции. В основе концепции управляемой ферментации лежит принцип создания на разных этапах процесса селективных условий для конкретной функциональной группировки, деятельность которой реализуется именно на этом этапе. Поскольку получаемый в конечном итоге продукт – компост является интегральным результатом деятельности всех микроорганизмов на всех этапах биодеструкции разлагаемого материала, то регуляция процесса посредством последовательного внесения соответствующих микробных комплексов с одновременной коррекцией величины рН обеспечит реализацию воспроизводимой технологии и получение качественного продукта в максимально сжатые сроки.