Ресурсосберегающая технология конверсии органических отходов микробным комплексом, интегрированным с минеральным носителем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-26-10059

НазваниеРесурсосберегающая технология конверсии органических отходов микробным комплексом, интегрированным с минеральным носителем

Руководитель Ильина Галина Викторовна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет» , Пензенская обл

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова отходы птицеводства, микробная ферментация, плодородие почвы, биоконверсия, агрофизические свойства почвы, глауконит, гумус, сорбция летучих аминов

Код ГРНТИ62.13.53; 62.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ресурсосберегающая технология конверсии органических отходов микробным комплексом, интегрированным с минеральным носителем является комплексной и предполагает предварительную иммобилизацию функционального микробного комплекса на минеральном носителе, в дальнейшем внесение полученного комплекса в массу отходов и каскадную ферментацию отработанных подстилочных масс. Данный процесс управляем за счет интеграции микробного комплекса с минеральными компонентами в условиях коррекции реакции среды. Это обеспечивает минимизацию потерь биогенных элементов (азот, фосфор, сера и другие) в процессе деструкции. Такой подход, с одной стороны, снижает объемы выбросов газовых фракций в атмосферу за счет сорбции, и, с другой, определяет переход биогенных элементов в доступные для растений подвижные формы в составе удобрения. Предлагаемая технология подразумевает получение органоминерального удобрения и биоремедианта из отходов, представляющих собой птичью подстилку, относимую к III-IV классу опасности отходов и предназначенную для утилизации или размещения на полигонах отходов. Она содержит, помимо относительно легкоразлагаемой части (птичьего помета), значительную долю лигноцеллюлозных компонентов. Деструкция последних, в соответствии с технологией, обеспечивается целлюлозолитическими и лигнолитическими ферментами микроорганизмов разных групп по принципу конвейера, что является инновационным приемом. Разработанная технология основана на использовании уникальных микробных композиций, отличающихся стабильностью и способных обеспечить глубокий уровень разрушения субстрата. Предлагаемые приемы и этапы реализации технологии являются новыми и не имеют прямых аналогов. Они обеспечивают минимизацию потерь биогенных элементов (азот, фосфор, сера и другие) в процессе микробных превращений, что с одной стороны, снижает объемы выбросов летучих соединений в атмосферу, а с другой – определяет переход в доступные для растений подвижные формы в составе удобрения. Существенным элементом научной новизны является использование в рамках реализации технологии минерального носителя, представляющего собой природный минерал глауконит, измельченный до оптимальной фракции. Данный материал содержит значительную долю фосфатов в нерастворимой форме, благодаря своей структуре обеспечивает оптимальную степень иммобилизации микроорганизмов - деструкторов, предназначенных для поэтапной реализации своего технологического потенциала. Носитель является также сорбентом для летучих форм соединений азота, парниковых газов, что в свою очередь иллюстрирует реализацию принципа Ле-Шателье в биогеохимии: при удалении (химическом связывании) продукта за счет сорбции и хемосорбции, биосистема интенсифицирует процессы его выработки, в нашем случае - распада азот- и углеродсодержащего материала. Минеральный носитель также способен служить дополнительным источником минеральных элементов, высвобождаемых и переводимых в доступную для растений форму за счет изменения реакции среды, инициируемой деятельностью микроорганизмов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ильина Г.В., Ильин Д.Ю., Гришина А.А., Дашкина А.Р. Возможности регулирования потоков биогенных элементов в агроэкосистемах путем использования органоминерального удобрения на основе ферментированных отходов птицеводства ВЕСТНИК ВОРОНЕЖСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА, Т. 16, № 4(79) (год публикации - 2023)
10.53914/issn2071-2243_2023_4_73

2. Ильин Д.Ю., Ильина Г.В., Ошкина Л.Л., Остапчук А.В. Микробиота кишечника индейки и пометно-подстилочных материалов: особенности и значение в деструкции отходов птицеводства Нива Поволжья, №3(67), с. 2002 (год публикации - 2023)
10.36461/NP.2023.67.3.015

3. Ильина Г.В., Ильин Д.Ю., Гришина А.А., Дашкина А.Р. Функциональный комплекс микроорганизмов на минеральном носителе для каскадной ферментативной деструкции отходов птицеводства Аграрный вестник Урала, Т. 24, № 5. – С. 670-681. (год публикации - 2024)
10.32417/1997-4868-2024-24-05-670-681

4. Ильина Г.В., Ильин Д.Ю., Гришина А.А., Дашкина А.Р. ПРИЕМЫ МИКРОБНОЙ КОНВЕРСИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА КАК СПОСОБ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ОТРАСЛИ ВЕСТНИК УЛЬЯНОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ, № 2(66). – С. 127-135 (год публикации - 2024)
10.18286/1816-4501-2024-2-127-135

5. Ильина Г.В., Ильин Д.Ю., Гришина А.А., Дашкина А.Р. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И АГРОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО ПОД ВЛИЯНИЕМ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО УДОБРЕНИЯ - ПРОДУКТА БИОДЕСТРУКЦИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА ВЕСТНИК ВОРОНЕЖСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА (год публикации - 2025)

6. Ильина Г.В., Ильин Д.Ю., Гришина А.А., Дашкина А.Р. ВЛИЯНИЕ МИКРОБНОЙ КОНВЕРСИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА НА СОДЕРЖАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И ПОКАЗАТЕЛИ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТОКСИЧНОСТИ КОМПОСТИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА АГРАРНЫЙ ВЕСТНИК УРАЛА (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году в рамках реализации проекта были получены объемы микробного компоста (органоминерального удобрения), достаточные для проведения полевого исследования. Изучено влияние органоминерального удобрения на структуру и химический состав почвы и проведена оценка безопасности применения продукта путем определения интегральной токсичности. Эксперименты проводили на базе обособленного подразделения ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ – учебно-опытного хозяйства «Рамзай». В лаборатории биотехнологии Пензенского ГАУ были подготовлены необходимые объемы микробных культур. Отработанные пометно-подстилочные материалы при помощи погрузчиков и грузового транспорта доставлялись с производственных площадок и мест размещения отходов к месту ферментации и полевых экспериментов. Материал увлажняли до 60-70 %, механически измельчали до однородной массы и при помощи техники формировали в бурты высотой 1,2-1,5 м, шириной 2,0-2,5 м и длиной 5,0-7,0 м. Иммобилизованную на минеральном носителе глауконите культуру бактерий нитрификаторов рода Nitrosomonas вносили в пометно-подстилочные материалы в буртах при перемешивании в количестве 5,0 % от массы отходов. Смесь ферментировали в течение 5-7 суток с периодическими перебивками. Культуры грибов родов Thielavia и Myceliophthora для деструкции соломы и опилок вносили в компостируемые материалы в количестве 1,0-1,5 % от массы субстрата с наступлением термофазы. Ферментацию продолжали 7-10 суток при периодических перебивках и вносили расчетный объем 10 %-ного раствора серной кислоты до достижения рН на уровне 6,3-6,8. Для осуществления последнего этапа деструкции и активизации процессов почвообразования использовали культуры актиномицетов рода Nocardia и Cellulomonas. Затем осуществляли аэробную ферментацию с периодическими перебивками в течение 10-14 суток до достижения сыпучести материала и появления характерного запаха почвы. После окончания всех стадий ферментации отбирали пробы для оценки физических свойств и химического состава. Установлено, что микробный компост содержит (% на сухое вещество): азота общего 5,18±0,4; подвижного фосфора 4,8±0,7%; подвижного калия 4,2 ±0,3; гуминовых веществ >15,0; азота нитратного, мг/кг сухого вещества – на уровне 270,4±11,4. Испытание агромелиоративных качеств полученного органоминерального компоста осуществлялось на сельскохозяйственных почвах в условиях обособленного подразделения учебно-опытного хозяйства «Рамзай» ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ на участках единого земельного массива с одинаковой почвенной разновидностью – черноземом выщелоченным тяжелосуглинистым среднегумусным. Схема опыта включала следующие варианты: контроль (чистый пар без удобрений), но с осенней культивацией аналогично опытным вариантам; внесение под чистый пар пометно-подстилочных материалов, прошедших естественную ферментацию в течение восьми месяцев, в количестве 25,0 т/га; внесение под чистый пар органоминерального удобрения, полученного путем ускоренного компостирования в течение двух месяцев, из расчета 25,0 т/га. Почвенные образцы для анализа отбирали весной и летом 2024 г. после двух культиваций (апрель, июнь) из слоя 0–20 см. Оценивали содержание углерода гумуса, щелочногидролизуемого азота, плотности сложения, водопрочность структур, структурный состав. Содержание биогенных элементов определяли методом капиллярного электрофореза на приборе Капель-104Т, приобретенном на средства, полученные от Фонда на первом году реализации проекта. Обнаружено достоверное положительное влияние мелиоранта на структуру, химический состав почвы и такие ее характеристики, как воздухо- и водопроницаемость. Применение органоминерального удобрения на черноземе выщелоченном способствует сохранению и увеличению запасов гумуса, обогащению подвижными формами углерода (в 1,25 раза от контроля), щелочногидролизуемым азотом. (в 1,4 раза от контроля). Внесение удобрения обеспечивает улучшение агрофизических свойств почвы за счет снижения плотности сложения на 0,2–0,25 г/куб.см, увеличения агрономически ценных фракций на 8,7 % и 11,3 % после первой и второй культиваций и водопрочных агрегатов на 10,3 % и 12,1 % соответственно по сравнению с неудобренным фоном. Проведена оценка интегральной токсичности материалов с целью оценки класса опасности и возможностей применения материала в открытом грунте. Оценка интегральной токсичности вытяжек из изученных материалов проводилась методами биотестирования в лаборатории технологического контроля очистных сооружений канализации ООО «Горводоканал» (г. Пенза), аккредитованной в системе Федеральной службы по аккредитации (Росаккредитации) и имеющей уникальный номер RA.RU 518137. Установлено снижение интегральной токсичности материала путем его микробного компостирования. Испытания позволили установить отсутствие острого токсического действия вытяжек из проб отходов с производственной площадки и полигонов хранения на тест-объекты только при разбавлении в 100 раз. Это свидетельствует об отнесении данных партий отходов к IV классу опасности (малоопасные отходы). Оценка интегральной токсичности проб компоста, полученного по описанной технологии компостирования, показала отсутствие острого токсического действия на указанные выше тест-объекты вытяжек без разведения. Таким образом, ферментированный материал, согласно классификации, может быть отнесен к V классу опасности (практически неопасные отходы). На заключительном этапе реализации проекта разработан научно обоснованный регламент получения органоминерального удобрения, подана заявка на получение патента на изобретение. В отчетный год результаты исследований опубликованы и приняты к публикации в трех российских периодических изданиях, индексируемых в базе данных Russian Science Citation Index. Полученные результаты согласуются с установленными на первом году реализации проекта закономерностями динамики соединений азота в процессах реализации микробной технологии компостирования и свидетельствуют в ее пользу, как экологически обоснованной и потенциально экономически привлекательной. https://penza.aif.ru/society/v-penze-uchyonye-sozdali-sposob-dlya-pererabotki-othody-pticevodstva

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта способны найти применение в экономике и социальной сфере. Необходимость размещения больших масс пометных отходов лимитирует рост производства и влечет рост социальной напряженности в районах площадей складирования отходов (основной проблемой, вызывающей реакцию населения, является выраженный запах, сопровождающий эмиссию летучих аминов и других соединений). При реализации разработанной технологии в реальном секторе экономики очевидны перспективы получения дополнительной прибыли предприятий отрасли птицеводства за счет экономии затрат на размещение отходов, оптимизации использования собственных материалов для удобрения под сельскохозяйственный культуры в растениеводстве, а также реализации продукта добавленной стоимости - биогумуса.