способ изготовления биогумуса, обогащенного азотфиксирующими бактериями

Формула изобретения

Способ получения биогумуса, обогащенного азотфиксирующими бактериями, включающий получение биогумуса путем вермикомпостирования органических отходов с использованием дождевых червей и внесение в биогумус микроорганизмов, отличающийся тем, что в качестве органических отходов используют навоз сельскохозяйственных животных, предварительно нейтрализованный до рН 7-8, а в качестве дождевых червей используют гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции в количестве 10⁴ на 1 м², при этом вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев при температуре 16-32°С в естественных условиях, причем после отделения червей из биогумуса в него вносят микроорганизмы, способные к ассоциативной азотфиксации, причем концентрация клеток 10¹²-10¹⁴ в 1 кг биогумуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскохозяйственной биотехнологии, в частности к технологии получения почвоудобрительных препаратов для растениеводства.

В последние годы все большее применение в сельском хозяйстве находит биогумус - продукт вермикомпостирования различных органических отходов промышленного и сельскохозяйственного производства специально выведенной расой дождевых червей. Биогумус содержит гуминовые и фульвокислоты, макро- и микроэлементы, аминокислоты и гиббереллины и другие биологически активные вещества в доступной растениям форме. Поэтому само по себе применение биогумуса повышает урожайность сельскохозяйственных культур и увеличивает плодородие почв.

Известен способ получения биогумуса. Гидролизный лигнин складируют в кучи, посыпают известью и поливают. Процесс осуществляют в течение 1,5-2,0 месяцев периодически поливают и перелопачивают. При необходимости добавляют известь дополнительно, доводят рН до значения 6,8-7,2. Подготовленный таким образом субстрат укладывают в ложа и запускают червей. После окончания процесса вермикомпостирования червей отделяют от полученного биогумуса и реализуют (пат. РФ №2094413, кл. C 05 F 11/00, 27.10.1997).

Однако использование в качестве сырья лигнина требует длительной подготовки субстрата, что связано с особенностями химического строения лигнина. Кроме того, лигнин имеет очень низкую кислотность, что требует больших количеств извести, а она, в свою очередь, в больших количествах токсична для червей. Кроме того, низкое содержание в биогумусе полезных микроорганизмов делает его не привлекательным для потребителя.

Известен способ утилизации органических отходов в биогумус включает приготовление субстрата путем смешивания компонентов, одним из которых являются отходы животного происхождения, внесение в него червей и/или их коконов, укладку субстрата в коробку или гряды и компостирование при влажности 65-80% и аэрации, отделение червей от полученного биогумуса. В качестве главного компонента в субстрат вводят скоп, являющийся отходом производства картона, в количестве 20-80% к общей массе субстрата. В качестве отходов животного происхождения применены навоз крупного рогатого скота и/или навоз свиней и помет птиц, применены черви вида Eisenia foetida в количестве 15-25 тыс. особей на 1 м². При низком содержании азота в субстрате после смешивания компонентов вводят добавки азота минеральных удобрений в виде мочевины в количестве не более 5% от общей массы субстрата с одновременной добавкой известняковой муки в количестве, обеспечивающем рН среды готового субстрата не более 8 (пат. РФ №2057743, кл. C 05 F 3/06. 10.04.1996 - прототип).

Однако данный способ имеет некоторые недостатки. Введение скопа (отходов производства картона) не всегда возможно в связи с отсутствием сырья. Кроме того, широкий диапазон величины его ввода не позволяет стандартизировать процесс вермикомпостирования, так как доля скопа влияет на активность червей. Вызывает сомнение, что мочевина может обеспечивать заявляемый эффект. Кроме того, как и в вышеуказанном аналоге, маловероятно, чтобы полученный таким способом биогумус включал в себя необходимое количество полезных микроорганизмов, в том числе и способных к ассоциативной азотфиксации.

Наиболее близкий к заявляемому способу является способ получения биоудобрения, заключающийся в получении биогумуса путем вермикомпостирования сельскохозяйственных и промышленных отходов с использованием дождевых червей, отделения биогумуса от червей и его досушивания, причем из дождевых червей используют червей "Оболенский гибрид", полученных путем скрещивания "Красного калифорнийского гибрида" с российской популяцией дождевых червей Eisenia foetida, при этом вермикомпостирование осуществляют при температуре 16-24°С в течение 4-6 месяцев, в полученный биогумус вносят микроорганизмы, обладающие фунгицидными свойствами. В способе микроорганизмы, обладающие фунгицидной активностью, вносят после отделения червей или после дозревания биогумуса, кроме того, в качестве их используют штамм бактерий Bacillus subtilis ИПМ-215 в концентрациях 1·10⁹-1·10¹² спор на 1 кг биогумуса или культуру микофильного гриба Trichoderma viride Pers ex S.F.Gray 16 в концентрациях 1·10⁴ -1·10⁸ колониеобразующих единиц на 1 кг биогумуса (пат. РФ №2125549, кл. C 05 F 11/08.1999 г., бюл. №3 - прототип).

Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, использование указанного гибрида не позволяет повсеместно получать качественный биогумус, так как климатические условия нашей страны очень разнообразны. Во-вторых, вызывает сомнение возможность использования данной технологии в южных регионах России, так как указанный диапазон температур не позволяет в теплые месяцы проводить культивирование данного гибрида, а время культивирование (4-6 месяцев) не позволяет получать достаточное количество биогумуса. Кроме того, дефицит азота во многих агроландшафтах требует дополнительного азотного питания, что не может обеспечить биогумус, полученный по прототипу. Кроме того, низкий титр препарата требует высоких доз внесения для борьбы с болезнями, что делает экономически не эффективным применение такого биогумуса.

Известные способы не позволяют получать биогумус с высоким титром полезных микроорганизмов и обладающий ассоциативной азотфиксирующей активностью.

Техническим решением задачи является расширение ассортимента микробиологических удобрений, повышения их биологической активности за счет увеличения жизнеспособности микроорганизмов, снижение материальных затрат при производстве за счет упрощения технологии и сокращения времени изготовления биогумуса, улучшение агрохимических показателей почвы за счет питательных веществ, входящих в состав биогумуса, и наличия у препарата азотфиксирующей активности.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения биогумуса, обогащенного азотфиксирующими бактериями, включающем получение биогумуса путем вермикомпостирования органических отходов с использованием дождевых червей и внесение в биогумус микроорганизмов, причем в качестве органических отходов используют навоз сельскохозяйственных животных, предварительно нейтрализованный до рН 7-8, а в качестве дождевых червей используют гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции, в количистве 10⁴ на м², при этом вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев при температуре 16-32°С в естественных условиях, причем после отделения червей из биогумуса в него вносят микроорганизмы, способные к ассоциативной азотфиксации, причем концентрация клеток 10¹²-10¹⁴ в 1 кг биогумуса.

Заявленный способ получения биогумуса, обогащенного азотфиксирующими бактериями, отличается от прототипа режимами изготовления биогумуса и родом используемых микроорганизмов.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение поставленной задачи и не выявлены при изучении патентной и научно-технической литературы в данной и смежной областях науки и техники и, следовательно, соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Способ получения биогумуса, обогащенного азотфиксирующими бактериями, реализуется следующим образом.

Навоз крупного рогатого скота складируется в бурты размером 1·5·1,5 метров. Навоз перелопачивается до достижения им температуры окружающей среды. Для регуляции кислотности используется мел или гашеная известь. Защелачивание проводят послойно до достижения навозом рН 7-8. Если кислотность навоза будет менее 7 ед., то черви развиваться в нем не будут, а значит биогумус не будет образовываться. Если кислотность навоза будет более 8 ед., то черви развиваться также в нем не будут, так как это значение рН для них также не оптимально, кроме того, будет перерасход защелачивающего агента, что приведет к дополнительным расходам на подготовке субстрата для червей. Таким образом, оптимальной кислотностью навоза для развития червей является рН равная 7,5 ед.

В качестве кольчатых червей используется гибрид красного калифорнийского червя с дождевыми червями кубанской природной популяции, полученный при совместном культивировании гибрида красного калифорнийского червя с кубанской популяцией кольчатых навозных червей. Это связано тем, что гибрид красного калифорнийского червя очень чувствителен к условиям внешней среды и требует оптимальной температуры, определенных качеств субстрата, что делает его не технологичным в наших условиях. В то же время, кольчатые навозные черви, обитающие в почве хотя и всеядны, но низкопродуктивны и сохраняют инстинкт к миграции, что делает их неудобным объектом для вермикомпостирования. Поэтому использование адаптированной породы обеспечивает достаточно высокую степень продуктивности червей и одновременно низкую восприимчивость к внешним условиям среды.

Готовый к использованию навоз заселяют червями из расчета 10 тыс. червей на 1 м², предварительно проверив тестом "50 червей", который позволяет оценить качество субстрата. Заселение производится вечером или в пасмурный день, так как черви не выносят прямых солнечных лучей. Навалы с заселенным червями субстратом сверху накрывают травой для защиты от солнца и снижения испарения воды. Навалы периодически поливают, рыхлят верхний слой субстрата. Вермикомпостирование осуществляют в течение 2-3 месяцев. Если время культивирования составляет менее 2 месяцев, то гибрид красного калифорнийского червя и кольчатого червя кубанской популяции не переработает субстрат, а значит выход биогумуса будет незначительный. Если время культивирования составляет более 3 месяцев, то гибрид красного калифорнийского червя и кольчатого червя кубанской популяции, переработав весь субстрат, начтет угнетаться и терять продуктивность, а, кроме того, это увеличивает время процесса приготовления биопрепарата, что увеличивает его себестоимость. Поэтому оптимальным временем культивирование червей в субстрате составляет 2,5 месяцев. Оптимальное культивирование червей в субстрате осуществляют при температуре 24°С. Если температура культивирования составляет менее 16°С, то метаболизм и рост гибридных червей замедляется, а значит и эффективность конверсии субстрата в биогумус будет низкая. Если температура культивирования составляет более 32°С, то рост вермикультуры также будет низким.

В результате роста и размножения червей происходит переработка навоза в биогумус. Отделение червей осуществляют на виброситах, причем остающиеся на сите черви используются для последующего получения биогумуса из следующей партии навоза. Полученный биогумус подсушивается на открытом воздухе до влажности 60-70% и складируется в бурты.

Для засева биогумуса используют посевной материал из коллекции чистых культур Федерального государственного учреждения "Краснодарский биоцентр". Пробирку с лиофилизированной чистой культурой Agrobacterium radiobacter штамм 204 оживляют с помощью питательного раствора. Производят засев оживленной культуры в колбы на 850 мл по 250-300 мл питательной среды, представляющей собой раствор сахарозы и минеральных солей. Затем полученный маточный раствор засевают в бутыли объемом 5 литров, содержащих по 2,0-2,5 литра питательной среды, включающую в себя кукурузный экстракт, мелассу и минеральные соли.

Полученный таким образом рабочий раствор культуры Agrobacterium radiobacter штамм 204 засевают биогумус, расположенный в буртах. Причем таким образом, чтобы концентрация инокулированных бактерий составила не менее 10¹⁰ клеток на 1 кг биогумуса. Перемешивание производят механически до равномерного смешивания и накрывают изолирующим материалом. По истечении 7-10 дней проверяю титр посеянных микроорганизмов, который должен увеличиться на 1-2 порядка за счет роста бактерий на биогумусе. Оптимальным титром культуры Agrobactenum radiobacter штамм 204 должна быть 10¹³ клеток в 1 кг биогумуса. Если количество клеток составляет менее 10¹² на 1 кг биогумуса, то качество препарата будет низким и необходимо увеличить время культивирования бактерий в биогумусе. Если количество клеток Agrobacterium radiobacter штамм 204 составляет более 10 ¹⁴ на 1 кг биогумуса, то качество препарата будет снижено из за большого расхода питательных веществ биогумуса бактериальными клетками.

Пример 2. Согласно технологии получения микробиологического удобрения по примеру 1, в качестве микроорганизмов используют Agrobacterium chroococcum штамм 10.

Пример 3. Согласно технологии получения микробиологического удобрения по примеру 1, в качестве микроорганизмов используют Azospirillum Upoferum штамм Az-12.

Результаты определений титра ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов в предлагаемом препарате на основе биогумуса в таблице 1.

Результаты лабораторных испытаний по примерам 1, 2, 3 показали, что независимо природы штамма ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов предлагаемый биогумус обеспечивает высокий титр искомых бактерий.

Таблица 1 Титр ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов в предлагаемом препарате на основе биогумуса
Пример	Культура микроорганизмов	Титр микроорганизмов
1	Agrobacterium radiobacter штамм 204	2,7×10 12
2	Agrobacterium chroococcum штамм 10	9,4×10 12
3	Azospirillum lipoferum штамм Az-12	7,6×10 12

Кроме того, следует отметить, что технология получение биогумуса это простой процесс, а сырье (органические отходы сельского хозяйства) общедоступно. Одновременно с получением биогумуса решается и проблема защиты окружающей среды, что актуально особенно в аграрных регионах с развитым животноводством.

Результаты анализа химического состава биогумуса и перегноя, полученных из навоза крупного рогатого скота, представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы, использование биогумуса позволяет не только обеспечить высокие показатели концентрации азотфиксирующих бактерий, но и использовать биогумус как высокоэффективный источник питательных веществ для роста растений (данные химического состава биогумуса приводятся в сравнении с составом перегноя).

Не следует забывать и о том, что использование биогумуса в качестве наполнителя для препарата ассоциативных азотфиксирующих бактерий не только обеспечивает растения полезными микроорганизмами, но и само по себе является источником питательных веществ.

Таблица 2 Химическая характеристика биогумуса и перегноя (%)
Наименование	Биогумус	Перегной
Кислотность среды	6,7	7,8
Органические вещества	44,9	23,6
Гуминовые кислоты	3,4	2,3
Фульвокислоты	2,2	0,6
Органический углерод	3,31	1,7
Азот	3,22	1,54
Фосфор	0,49	0,35
C:N	1,04	1,10
Электрическая проводимость - мера относительной солености почвы или количества растворимых солей	12,1	3,60

Таким образом, способ получения биогумуса обогащенного, азотфиксирующими бактериями, не только позволяет получить высокий титр ассоциативных азотфиксирующих бактерий, за счет наличия в нем питательных веществ, а также активизировать обработанные растения за счет наличия питательных и стимулирующих веществ самого биогумуса, но и расширить ассортимент почвоудобрительных препаратов, за счет возможности размещение малотоннажных производств непосредственно в регионах и частично решить проблемы утилизации отходов животноводства.