способ получения бактериального удобрения на основе биогумуса

Формула изобретения

Способ получения бактериального удобрения на основе биогумуса, 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 виброситом с размером пор 0,5-1,0 см биогумус подсушивают до влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, вносят кукурузный экстракт в количестве 2,0-4,0% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят микроорганизмы вида Rhizobium japonicum и выдерживают до достижения титра 2·10¹⁰.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микробиологической промышленности, в частности к технологии приготовления биопрепаратов на основе клубеньковых бактерий.

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 непривлекательным 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).

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 азотфиксации молекулярного азота из воздуха.

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 нами 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 1·10 ⁹-1·10¹² 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 культивирования (4-6 месяцев) не позволяет получать достаточное количество биогумуса. Кроме того, дефицит азота во многих агроландшафтах требует дополнительного ввода микроорганизмов, обладающих способностью фиксировать азот из атмосферы, что не может обеспечить предлагаемый препарат. Препарат, получаемый по прототипу, требует дополнительного ввода прилипателя (при его использовании для обработки семян), что требует дополнительных материальных и людских ресурсов, что не всегда экономически целесообразно. Кроме того, низкий титр препарата требует высоких доз внесения для борьбы с болезнями, что делает экономически неэффективным применение данного бактериального препарата.

Известные способы не позволяют эффективно получать бактериальное удобрение с большим содержанием питательных для растений веществ и одновременно с высоким титром полезных микроорганизмов и обладающее способностью к фиксации атмосферного азота без применения перед обработкой семян дополнительно прилипателя.

Техническим решением задачи являются расширение ассортимента бактериальных удобрений, снижение материальных затрат при производстве и повышение их биологической активности, а также увеличение сроков хранения препарата, улучшение агрохимических показателей почвы за счет питательных веществ, входящих в состав биогумус, наличие у препарата способности фиксировать атмосферный азот и высокого титра полезных микроорганизмов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения бактериального удобрения на основе биогумуса, 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 количестве 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 виброситом с размером пор 0,5-1,0 см биогумус подсушивают до влажности 50-60%, фасуют в пакеты из полипропилена, вносят кукурузный экстракт в количестве 2,0-4,0% массы биогумуса и автоклавируют в течение 45-75 мин при 0,8-1,2 атм, вносят микроорганизмы вида Rhizobium japonicum и выдерживают до достижения титра 2·10 ¹⁰.

Заявленный способ получения бактериального удобрения на основе биогумуса отличается от прототипа режимами изготовления биогумуса и физиологической группой используемых микроорганизмов и дополнительным вводом углеводов (кукурузного экстракта) в качестве источника питания и прилипателя для препарата при обработке семян.

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 бактериального удобрения на основе биогумуса следующим образом.

Пример 1. 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 нетехнологичным 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 культивирования 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 механических виброситах, причем остающиеся на сите черви используются для последующего получения биогумуса из следующей партии навоза. При этом оптимальным является размер пор сита 0,75 см, что позволяет получать чистый биогумус, свободный от частиц непереработанного субстрата и остатков мусора. Если величина пор сита будет менее 0,5 см, то скорость просеивания будет низка, что увеличит время технологической операции. Если величина пор сита будет более 1,0 см, то вместе с частицами биогумуса в емкость с готовым продуктом будут попадать и частицы непереработанного субстрата, что будет негативно сказываться на качестве готового продукта.

Полученный биогумус подсушивается в потоке горячего воздуха до влажности 55% и складируется в крафт-мешки. Если влажность готового биогумуса будет менее 50%, то будет происходить перерасход теплоносителя при сушке продукта и это потребует дополнительного ввода воды для комфортного развития вносимых в биогумус азотфиксирующих микроорганизмов. Если влажность готового биогумуса будет более 60%, то качество готового продукта ухудшится, так как получаемое удобрение потеряет сыпучесть, а, кроме того, аэрация субстрата будет низкая, что приведет к замедленному развитию микроорганизмов.

Полученный вышеуказанным способом биогумус используется одновременно в качестве и носителя, и субстрата для развития и размножения клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437. По мере необходимости биогумус из крафт-мешков расфасовывается по полипропиленовым пакетам в зависимости от объемов использования от 1 до 5 кг в пакет. Для обеспечения углеводного питания симбиотических азотфиксаторов, а также исключения использования прилипателей при обработки семян в расфасованный биогумус вносится кукурузный экстракт из расчета 3% от массы биогумуса (оптимальная концентрация), то есть, если масса пакета с биогумусом 5 кг, то мелассы добавляется 150 г. Если масса вносимого кукурузного экстракта будет менее 2%, то углеводного питания для развития бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 будет недостаточно и необходимого титра культура микроорганизмов не достигнет. Если масса вносимого кукурузного экстракта будет более 4%, то переизбыток кукурузного экстракта приведет к дополнительным расходам на приготовления удобрения, а кроме того, вызовет возникновение анаэробных зон в биогумусе, что снизит качество препарата.

После добавления мелассы пакеты закрываются ватно-марлевыми пробками и стерилизуются в автоклаве при режиме 1 атм в течение одного часа, что является оптимальным режимом стерилизации. Если время стерилизации будет менее 45 мин, а давление в автоклаве менее 0,8 атм, то полной стерилизации субстрата не произойдет и в нем останутся микроорганизмы, которые будут мешать росту и развитию бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437, а значит их нужного титра микроорганизмы не достигнут, что снизит качество препарата. Если время стерилизации будет более 75 мин, а давление в автоклаве более 1,2 атм, то за счет жесткого режима автоклавировния в субстрате (биогумусе) образуются вещества, токсичные для азотфиксирующих микроорганизмов, в том числе и за счет карамелизации сахаров кукурузного экстракта, и качество препарата снизится, кроме того, себестоимость бактериального препарата будет высокая за счет перерасхода теплоносителей.

Для засева биогумуса клубеньковыми бактериями используют посевной материал из коллекции чистых культур. Пробирку с лиофилизированной чистой культурой вида Rhizobium japonicum B-2437 оживляют с помощью питательного раствора. Производят засев оживленной культуры в колбы на 750 мл по 200-250 мл питательной среды, представляющей собой раствор горохового отвара, кукурузного экстракта, сульфата аммония и мела. Затем полученный маточный раствор засевают в бутыли объемом 5 литров, содержащих по 2,0-2,5 литра питательной среды того же состава.

Полученный таким образом рабочий раствор культуры вида Rhizobium japonicum B-2437 засевают стерильно в биогумус из расчета конечного титра микроорганизмов 4,5·10⁷. Перемешивание производят механически таким образом, чтобы не повредить полипропиленовые пакеты. Затем засеянные пакеты помещают в термостатируемое помещение с комнатной температурой.

По истечении 10-14 дней проверяют титр посеянных микроорганизмов, который должен увеличиться на 1-2 порядка за счет роста клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 бактерий на биогумусе и будет достигать 2·10¹⁰ .

Дальнейшее хранение препаратов в неповрежденных пакетах в течение 3-х месяцев не снижало титра препарата на основе Rhizobium japonicum B-2437 ниже 9·10⁹, что связано с оптимальным содержанием в биогумусе необходимых для микроорганизмов питательных веществ и дополнительного ввода углеводных компонентов питания. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.

Пример 2. Согласно способу получения бактериального удобрения на основе биогумуса по примеру 1 в качестве сырья для культивирования червей используют куриный помет с добавлением измельченной соломы.

Таблица 1 Изменение титра клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 в процессе хранения по предлагаемому способу и без мелассы
Варианты	0 месяцев хранения	1 месяц хранения	3 месяц хранения
По предлагаемому способу	5,7·1010	2,1·10 10	2,3·109
Без использования кукурузного экстракта	4,4·1010	1,1·109	8,8·108

Пример 3. Согласно способу получения бактериального удобрения на основе биогумуса по примеру 1 в качестве сырья для культивирования червей используют конский навоз.

Пример 4. Согласно способу получения бактериального удобрения на основе биогумуса по примеру 1 в качестве сырья для культивирования червей используют навоз телят на откорме с добавлением измельченной соломы.

Результаты определений количества клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 в биогумусе разного происхождения представлены в таблице 2.

Результаты лабораторных испытаний по примерам 1, 2, 3, 4 показали, что независимо от происхождения отходов животноводства биогумусом, полученным на его основе, обеспечивается высокий титр вида Rhizobium japonicum B-2437, необходимый для получения эффективной фиксации азота из воздуха.

Кроме того, следует отметить, что технология получения 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.

Таблица 2 Титр клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 при использовании биогумуса разного качества
№	Вариант	Титр культуры Rhizobium japonicum B-2437
1	вариант 1	7,3×109
2	вариант 2	8,1×109
3	вариант 3	9,5×109
4	вариант 4	7,4×10 9

Результаты анализа химического состава биогумуса и перегноя, полученных из навоза крупного рогатого скота, представлены в таблице 3.

Как видно из таблицы, использование биогумуса позволяет не только обеспечить высокие показатели концентрации клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437, 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 клубеньковых бактерий не только обеспечивает растения полезными микроорганизмами, но и само по себе является источником питательных веществ.

Таблица 3 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 приготовления бактериального удобрения на основе биогумуса не только позволяет получить высокий титр клубеньковых бактерий вида Rhizobium japonicum B-2437 при использовании предлагаемого способа за счет наличия в биогумусе питательных веществ, но и также одновременно активизировать растения с использованием питательных и стимулирующих веществ самого биогумуса. Кроме того, реализация прелагаемого способа расширит ассортимент биопрепаратов за счет возможности размещения малотоннажных производств непосредственно в регионах и частично решить проблемы утилизации отходов животноводства.