Во многих странах мира, в том числе в Казахстане, интенсивно развивается животноводство. В Республике Казахстан поголовье крупного рогатого скота с каждым годом увеличивает количество накопленного навоза КРС на более чем 32,8 млн т и птичьего помета на 3,5 млн т. Поэтому существуют проблемы утилизации огромного количества навоза КРС и птичьего помета, которые стихийно разбрасываются на поля или сжигаются. Эти отходы оказывают сильное негативное влияние на экологическую среду, они являются благоприятной средой для роста и развития многих патогенных микроорганизмов, кроме того, в процессе их разложения выделяются ядовитые вещества – метан, сероводород, аммиак и другие соединения. Из-за того, что экскременты животных и птиц в своем составе содержат большое количество опасных веществ и что они загрязняют окружающую среду, возникает необходимость утилизировать их экологически безопасным путем. Для утилизации таких отходов в разных странах применяются различные методы: сжигание, компостирование, вирмикомпостирование, ферментация [1]. Чтобы справиться со всем объемом образующихся отходов, нужна промышленная безотходная, экологически чистая технология. Анализ современного состояния почвенного покрова Республики Казахстан, в том числе его плодородия, показал, что в результате экстенсивного использования земельных ресурсов произошли существенные изменения в сторону снижения содержания гумуса в почве и интенсивной деградации и опустынивания земель [2]. Сельское хозяйство является важным сектором экономики страны, поэтому необходимо принятие мер для сохранения и повышения плодородия почвы с применением полученных удобрений после ферментации отходов животноводства.
Биологическая ферментация навоза и птичьего помета является одним из методов биоконверсии органических отходов, с помощью которого можно получить экологически чистое эффективное удобрение. Этот способ переработки отходов выгодно отличается от других способов небольшими капиталовложениями, низким энергопотреблением, отсутствием вторичных отходов и безопасностью [3].
Эффективность микробиологической ферментации экскрементов животных и птиц напрямую зависит от эффективности применяемых биопрепаратов на основе микроорганизмов, способных к ускорению процесса биоконверсии органических отходов. Во многих странах мира применяют различные препараты, изготовленные из специально отобранных культур эффективных микроорганизмов, перерабатывающих отходы [4–6].
Отсутствие собственных отечественных разработок в данном направлении и накопившиеся многочисленные экологические проблемы диктуют необходимость выделения микроорганизмов, перспективных для переработки органических отходов, и разработки на их основе отечественного биологического препарата.
Целью исследования являлась необходимость отбора перспективного консорциума микроорганизмов для ускоренной ферментации экскрементов животных и птиц.
Материалы и методы исследования
В работе использовались классические методы микробиологических исследований [7].
Для определения и дифференциации патогенных микроорганизмов в исследуемых экскрементах животных и птиц использовались строго селективные среды Эндо агар и висмут-сульфитный агар.
Для получения консорциума микроорганизмов на первом этапе готовили стартерные культуры методом глубинного культивирования. Использовать питательные среды МRS-1 и СПБ. Готовые среды после стерилизации инокулировали культурами микроорганизмов консорциума № 1 из 15 культур: Pediococcus acidilactici КН2-8, Pediococcus acidilactici П1-15, Pediococcus pentosaceus СН3-28, Pediococcus pentosaceus П1-8, 3 штамма – Enterococcus faecium СН3-4, Enterococcus faecium КП-1, Enterococcus faecium КН2-9, Lactobacillus acidophilus СН3-16, Lactobacillus fermentum СН3-2, Bacillus coagulans П1-5, Bacillus subtilis КН2-7, Lactobacillus plantarum СН3-27, Bacillus licheniformis П1-7, Тorulopsis kefir var.kumis КН2-1 и Kluyveromyces marxianus П1-13; консорциум № 2 составлен из 11 культур, в него вошли культуры относящейся к разной родовой и видовой принадлежности: Pediococcus acidilactici КН2-8, Pediococcus pentosaceus СН3-28, Enterococcus faecium КН2-9, Lactobacillus acidophilus СН3-16, Lactobacillus fermentum СН3-2, Bacillus coagulans П1-5, Bacillus subtilis КН2-7, Lactobacillus plantarum СН3-27, Bacillus licheniformis П1-7, Тorulopsis kefir var.kumis КН2-1 и Kluyveromyces marxianus П1-13 в концентрации 109 кл/см3 на 1,0 дм3 питательного бульона. Глубинное культивирование штаммов проводили отдельно, инкубировали в течение 24–48 ч при температурах 37–45 °C в термостате.
Наработанную биомассу штаммов двух консорциумов с биологическим титром клеток у всех штаммов в пределах 9,0 ± 0,16 lg КОЕ/см3-9,25 ± 0,23lg КОЕ/см3 объединяли. Полученную в результате объединения культуральную жидкость с титром клеток 8,0–9,0 lgКОЕ/cм3 добавляли к питательной смеси пшеничных отрубей. Активность консорциумов микроорганизмов определяли по способности к росту на экскрементах животных и птиц по способности нейтрализовать неприятные запахи помета и навоза, по способности в процессе роста повышать температуру органических веществ, а также подавлять патогенную микрофлору.
Результаты исследования и их обсуждение
Закладка буртов на экскрементах крупного рогатого скота проводилась на территориях ИП «Садовый центр Астана» в с. Нуресиль, Акмолинской области, и ТОО «Жалгас-Агро» в с. Новомарковка, Акмолинской области (рис. 1).
Рис. 1. Бурт с экскрементами крупного рогатого скота на территории ИП «Садовый центр Астана» в с. Нуресиль, Акмолинской области
В каждом хозяйстве формировали по 2 бурта шириной 1,5 м и высотой 1 м. В качестве контроля служил необработанный навоз.
Ежедневно за буртами с навозом крупного рогатого скота в течение испытаний проводился контроль температуры и влажности. За буртами в хозяйствах проводили визуальное наблюдение (оценивали внешний вид, структуру навоза и наличие запаха). В ходе испытаний наблюдалось постепенное изменение цвета и агрегатного состояния содержимого буртов и снижение запаха. Температура на пятые сутки в обработанных консорциумами микроорганизмов буртах составила на глубине 50 см от 40–45 °С, на поверхности – от 50 °С до 55 °С.
На 10 сутки температура в двух буртах, обработанных консорциумами микроорганизмов составила примерно от +59 °С, в этот период произведено первое ворошение буртов с целью активного удаления влаги и снижения температуры. Следующее повторное ворошение проводилось примерно на 15 сутки. Температура в этот период достигала 50–59 °C во всех буртах с применением обоих консорциумов. При применении консорциума № 1 в буртах обоих хозяйств на 25 сутки наблюдалось постепенное изменение цвета навоза крупного рогатого скота и отмечалось отсутствие неприятного запаха. Также масса навоза становилась более рыхлой. При применении консорциума № 2 в бурте хозяйства ИП «Садовый центр Астана» отмечалось отсутствие неприятного запаха, однако в бурте с экскрементами животных поставленного в хозяйстве ТОО «Жалгас-Агро», наблюдалось незначительное ослабление резкого специфического запаха навоза.
В табл. 1 представлены результаты испытаний консорциумов микроорганизмов на экскрементах животных.
Примерно на 40 сутки бурты представляли собой рассыпчатую массу от темно-коричневого до черного цвета, без характерного запаха экскрементов животных и других неприятных запахов, кроме бурта с применением консорциума № 2 в ТОО «Жалгас-Агро».
Одновременно, на территориях ТОО «Ордабасы кус» Южно-Казахстанской области, Ордабасынского района, в с. Бадам, в ТОО «Щучинская птицефабрика», Акмолинской области, Бурабайского района в пос. Зеленый бор и ТОО «Майкудукская птицефабрика», Карагандинской области, в селе Доскей заложены опыты на экскрементах птиц. В каждом хозяйстве формировали по 2 бурта шириной 1,5 м и высотой 1 м. Ежедневно в течение испытаний проводился контроль температуры и влажности. В качестве контроля служил необработанный птичий помет. На рис. 2 представлен бурт с экскрементами птиц на территории ТОО «Ордабасы кус» Южно-Казахстанской области, Ордабасынского района, в с. Бадам.
Рис. 2. Бурт с экскрементами птиц на территории ТОО «Ордабасы кус» Южно-Казахстанской области, Ордабасынского района, в с. Бадам
Таблица 1
Визуальный и органолептический анализ экскрементов животных ИП «Садовый центр Астана» и ТОО «Жалгас-Агро», обработанный консорциумами микроорганизмов через 35 суток
|
Консорциумы |
ИП «Садовый центр Астана» |
ТОО «Жалгас-Агро» |
||||
|
запах |
цвет |
t °C |
запах |
цвет |
t °C |
|
|
Контроль |
+++ |
– |
+25 |
+++ |
– |
+25 |
|
Консорциум № 1 |
+ |
+ |
+59 |
+ |
+ |
+58 |
|
Консорциум № 2 |
+ |
+ |
+57 |
++ |
+ |
+50 |
|
Примечание: 1 – «+++» резкий, специфический аммиачный запах; 2 – «++» ослабление резкого специфического запаха; 3 – «+» исчезновение запаха; 4 – «+» наблюдается изменение цвета; 5 – «–» нет изменения цвета |
||||||
Во всех буртах с экскрементами птиц проводили наблюдение за внешним видом, структурой отходов и наличием запаха. В ходе испытаний наблюдалось постепенное изменение цвета и агрегатного состояния содержимого буртов и снижение запаха. Температура на 5 сутки в обработанных консорциумами микроорганизмов буртах составила на глубине 50 см от 40–45 °С, на поверхности– от 50 °С до 55 °С.
На 10 сутки температура во всех буртах, обработанных консорциумами микроорганизмов составила примерно от +59 °С, в этот период произведено первое ворошение буртов с целью активного удаления влаги. Следующее второе ворошение проводилось на 15 сутки. Температура в этот период достигала 50–59 °C во всех буртах с применением обоих консорциумов. На 25 сутки наблюдалось постепенное изменение цвета навоза и помета, отмечалось отсутствие неприятного запаха. Также масса навоза становилась более рыхлой.
В табл. 2 представлены результаты окончания испытаний консорциумов микроорганизмов на экскрементах птиц.
К концу испытаний, примерно на 40 сутки, бурты представляли собой рассыпчатую массу от темно-коричневого до черного цвета, без характерного запаха навоза и помета и других неприятных запахов.
Важнейшими показателями микробиологического анализа является отсутствие патогенной микрофлоры в исследуемых экскрементах животных и птиц. При дальнейшем изучении влияния консорциумов микроорганизмов на процесс ферментации экскрементов животных и птиц учитывали способность микроорганизмов, входящих в состав консорциума, подавлять патогенную микрофлору. Для этого были проведены микробиологические анализы навоза крупного рогатого скота и куриного помета до и после окончания ферментации.
Данные микробиологических показателей экскрементов животных до и после обработки консорциумами микроорганизмов показали способность снижать количество патогенной микрофлоры от начального его содержания в навозе КРС с применением консорциума № 1 на 2–5 порядка (табл. 3).
Наиболее сильными антагонистическими свойствами по отношению к патогенной микрофлоре обладал консорциум № 1, который снижал количество патогенной микрофлоры до допустимых значений и на один порядок больше консорциума № 2.
Таблица 2
Визуальный и органолептический анализ экскрементов птиц ТОО «Ордабасы кус», ТОО «Щучинская птицефабрика» и ТОО «Майкудукская птицефабрика», обработанный консорциумами микроорганизмов через 35 суток
|
Консорциумы |
ТОО «Ордабасы кус» |
ТОО «Щучинская птицефабрика» |
ТОО «Майкудукская птицефабрика» |
||||||
|
запах |
цвет |
t °C |
запах |
цвет |
t °C |
запах |
цвет |
t °C |
|
|
Контроль |
+++ |
– |
+35 |
+++ |
– |
+25 |
+++ |
– |
+28 |
|
Консорциум № 1 |
+ |
+ |
+60 |
+ |
+ |
+55 |
+ |
+ |
+59 |
|
Консорциум № 2 |
++ |
+ |
+55 |
++ |
+ |
+50 |
++ |
+ |
+50 |
|
Примечание: 1 – «+++» резкий, специфический аммиачный запах; 2 – «++» ослабление резкого специфического запаха; 3 – «+» исчезновение запаха; 4 – «+» наблюдается изменение цвета; 5 – «–» нет изменения цвета |
|||||||||
Таблица 3
Данные микробиологических показателей экскрементов животных до и после обработки консорциумами микроорганизмов
|
Наименование изолятов |
Допустимое значение, КОЕ/г |
|||
|
10-5 |
10-3 |
10-3 |
10-5 |
|
|
Е. coli |
Staphylococcus sp. |
Salmonella sp. |
Streptococcus sp. |
|
|
Контроль |
3,2×10-1 |
3,8×10-2 |
2,7 ×10-1 |
6,2 ×10-1 |
|
Консорциум № 1 |
1,2 ×10-6 |
2,7×10-5 |
1,2×10-3 |
1,5 ×10-6 |
|
Консорциум № 2 |
2,3×10-5 |
1,3×10-4 |
4,3×10-3 |
5,1 ×10-5 |
Таблица 4
Данные микробиологических показателей экскрементов птиц до и после обработки консорциумами микроорганизмов
|
Наименование изолятов |
Допустимое значение, КОЕ/г |
|||
|
10-5 |
10-3 |
10-3 |
10-5 |
|
|
Е. coli |
Staphylococcus sp. |
Salmonella sp. |
Streptococcus sp. |
|
|
Контроль |
4,8×10-1 |
2,9×10-2 |
3,7 ×10-1 |
2,8 ×10-1 |
|
Консорциум № 1 |
1,3 ×10-5 |
3,6×10-4 |
4,2×10-3 |
3,3 ×10-5 |
|
Консорциум № 2 |
2,3×10-4 |
5,1×10-3 |
1,3×10-2 |
1,6 ×10-4 |
Аналогично, по данным микробиологических показателей экскрементов птиц до и после обработки консорциумами микроорганизмов, показана способность снижать, количество патогенной микрофлоры от начального его содержания в курином помете на 1–4 порядка (табл. 4).
Наиболее сильными антагонистическими свойствами по отношению к патогенной микрофлоре обладал консорциум № 1, который снижал количество патогенной микрофлоры в курином помете до допустимых значений.
Таким образом, микробиологические анализы после ферментации экскрементов животных и птиц при применении консорциума № 1 соответствуют установленным нормам, безопасны для человека и окружающей среды.
Заключение
Таким образом, в результате проведенных исследований изучено влияние консорциумов микроорганизмов на процесс ферментации экскрементов животных и птиц. Установлено, что при использовании консорциума № 1 происходит ускорение процесса ферментации экскрементов животных и птиц, что позволяет переработать его в короткие сроки, от 35 до 40 дней. При этом устраняется запах аммиака и сероводорода, подавляется и тормозится развитие патогенной микрофлоры. Созданный консорциум является перспективным объектом при разработке экологически безопасных биопрепаратов, используемых для переработки органических отходов и разработки на их основе отечественного биологического препарата.