СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОФАЗНОГО БИОСРЕДСТВА ДЛЯ РАСТЕНИЕВОДСТВА И ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
PRODUCTION METHOD OF LIQUID - PHASE BIOLOGICAL SUBSTANCE FOR CROP GROWING AND AGRICULTURE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам получения жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия.
Известен способ получения биологически активного средства биоконверсией органического сырья для роста и развития растений (Пат. РФ на ИЗ №2264460, Кл. C12P 1/00, C05F 3/00, 11/00, 2003), включающий предварительное измельчение органических отходов и торфа при соотношении компонентов 50:50 с последующим их перемешиванием, введение в смесь фосфорнокислого калия в количестве 0,01-0,5 мас.% исходной смеси, дополнительное перемешивание компонентов и проведение процесса биоконверсии в две стадии при повышенной температуре, после чего продукт биоконверсии охлаждают до температуры окружающей среды. Во время процесса биоконверсии смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях. Первую стадию биоконверсии проводят в течение 72 часов при 36-39°С, а вторую - в течение 48 часов при 75-80°С, а продувку смеси воздухом осуществляют в течение 20 минут каждые 12 часов. Получают биологически активное средство с повышенным содержанием физиологически активных веществ, используемое в качестве биостимулятора для роста и развития растений.
Недостатком данного способа является ограниченность функциональных возможностей конечного продукта, поскольку при переработке органических отходов он всегда будет получен в твердом виде, что является препятствием полноценного использования физиологически активных веществ, входящих в его состав. Так, при использовании биологически активного средства как удобрения в твердом виде питательные вещества, входящие в его состав, под влиянием промывных и талых вод вымываются из почвы, из-за чего требуется повторное внесение удобрения в почву.
Биологически активное средство для роста и развития растений в виде концентрированного раствора может быть использовано для замачивания семян, для внекорневой подкормки, для опрыскивания зеленой массы на разных стадиях развития растений, что недоступно для биологически активного средства в твердом виде.
Растворение биологически активного средства в водопроводной воде и орошение полученным раствором семян сельскохозяйственных растений также не позволяет в полной мере использовать все его возможности вследствие неполноценного извлечения водопроводной водой физиологически активных веществ.
Известен способ получения жидкого биостимулятора роста и развития растений из гумусосодержащих веществ (Пат. РФ №2112763, Кл. C05F 3/00, C05F 11/02, 1996), включающий биотехнологическую переработку навозных отходов методом твердофазной ферментации для получения компоста с выделением из него водной бактериальной суспензии, для получения которой компост замачивают в воде, экстрагируют из него бактериальную массу в водный раствор, полученную бактериальную суспензию отделяют от твердой фракции компоста, а твердую фракцию компоста подвергают щелочной экстракции с последующим отделением жидкого экстракта, при этом последний смешивают с бактериальной суспензией для получения целевого экстракта.
Эффективность данного биостимулятора роста и развития растений будет зависеть не только от концентрации в целевом экстракте питательных веществ, но и от исходного гумусосодержащего вещества и способа его биотехнологической переработки, которым обусловлен выбор способа экстрагирования биологически активных веществ из твердофазного биологически активного средства.
Современный этап интенсификации сельского хозяйства, повышения плодородия почв предполагает использование различных биопрепаратов, биосредств, биостимуляторов как для роста и развития растений, так и для активизации почвенной микрофлоры. Щелочная экстракция направлена на извлечение гумусосодержащих веществ и не содержит или практически не содержит агрономически полезной микрофлоры.
Наиболее близким к заявленному является способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия, реализуемый известными поточными линиями (Пат. РФ на ПМ №50530, Кл. C05F 3/00, C05F 11/00, 2005; Пат. РФ на ПМ №57276, Кл. C05F 3/00, C05F 11/00, 2006, прототип), предусматривающий процесс ферментации торфонавозной смеси, обогащенной биодобавкой, с последующими экстракцией растворителем твердофазного биосредства и фильтрацией.
Конечный продукт - жидкофазное биосредство с повышенным содержанием физиологически активных веществ, используемое в качестве биостимулятора для роста и развития растений. В зависимости от технологии получения биосредства в биореакторе и способа экстракции биологически активных веществ из твердофазного биологически активного средства можно получить спектр жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в расширении ассортимента жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия, полученных ферментацией органического сырья с последующей экстракцией биологически активных веществ из полученного биологически активного средства.
Технический результат изобретения - получение жидкофазного биосредства с высоким уровнем биогенности, питательности и физиологичности, позволяющего использовать его для улучшения роста и развития растений, а также для активизации почвенно-микробиологических процессов.
Технический результат достигается тем, что способ получения жидкофазного биологически активного средства для растениеводства и земледелия включает проведение процесса ферментации торфонавозной смеси, обогащенной биологически активной добавкой, в качестве которой используют золу лиственных пород деревьев в количестве 3 мас.% от исходной смеси, в три стадии при различной температуре, при этом во время процесса ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях. Первую стадию ферментации проводят в течение 48 часов при температуре 37°С, вторую - в течение 24 часов в температурном интервале 55-60°С, третью - в течение 48 часов при температуре 37°С, а продувку смеси воздухом осуществляют в течение 30 мин через каждые 24 часа. Навоз и торф в исходной смеси берут в соотношении компонентов 50:50. Твердофазный продукт ферментации подвергают экстракции в течение 48 часов при температуре 22°С растворителем, в качестве которого берут 1%-ный раствор калия фосфорнокислого, с последующей фильтрацией под давлением до 3 атм.
Зола лиственных пород проявляет себя как стимулятор процесса ферментации, так как имеет богатый минеральный состав. Зола содержит все минеральные вещества, взятые растением из почвы, кроме азота. Наибольшую ценность представляет входящий в состав золы углекислый калий, который легко растворим в воде и хорошо доступен растениям. Содержащиеся в золе магний, сера, железо, бор, марганец и многие другие элементы также находятся в доступном для растений состоянии и представляют большую ценность, поскольку являются обязательной составной частью многих ферментов, витаминов, ростовых веществ, которые выполняют важную роль биологических ускорителей и регуляторов сложнейших биохимических и микробиологических процессов.
Золу лиственных пород в исходную смесь вносили в объеме 3% (мас.). Зола способствовала активизации микроорганизмов, изначально присутствующих в исходном сырье и использующих различные формы азота, аминокислотосинтезирующих, фосфатмобилизующих микроорганизмов, микроорганизмов, потребляющих моно- и дисахара в качестве единственного источника углерода и др. Наблюдалась согласованность роста численности микроорганизмов с динамикой активности ряда ферментов: каталазы, дегидрогеназы и др.
В результате осуществления процесса ферментации создаются благоприятные условия для активного развития микроорганизмов. На первой стадии процесса, которая протекает 48 часов при температуре 37°С, наблюдается рост и развитие всех видов микроорганизмов, для которых данная температура является оптимальной - это мезофильные микроорганизмы, в том числе аэробные и анаэробные, развивающиеся за счет регулируемой подачи воздуха. За время проведения первой стадии процесса ферментации развивающиеся в ферментируемой массе микроорганизмы продуцируют ферменты, участвующие в процессах преобразования, причем активность микроорганизмов увеличивается за счет введения золы лиственных пород в состав исходной смеси.
Вторая стадия процесса протекает при температуре пастеризации 55-60°С, поэтому губительна для патогенной микрофлоры. Тем самым обеспечивается санитарно-гигиеническая чистота получаемого жидкофазного биосредства.
Третья стадия процесса ферментации, протекающая в течение 48 часов при температуре 37°С, направлена на дальнейшую активизацию мезофильной агрономически полезной микрофлоры с целью ее сохранения в конечном жидкофазном биосредстве.
Таким образом, именно такой температурный режим процесса ферментации позволяет задействовать наиболее полный спектр всех известных микроорганизмов, а продолжительность процесса позволяет им достичь своего максимального развития. Кроме того, предварительное обогащение исходной смеси золой древесных пород позволяет активизировать рост и развитие микроорганизмов, а также интенсифицировать процессы трансформации, осуществляемые ими.
2
4
2
4
Твердофазный продукт ферментации подвергают экстракции 1%-ным раствором калия фосфорнокислого (KHPO) в течение 48 часов при температуре 22°С. В этот период под влиянием калия фосфорнокислого происходит извлечение питательных компонентов в раствор. При этом KHPO одновременно выступает в качестве активатора микробиологической деятельности как источник питания и энергии для микроорганизмов.
Калий и фосфор являются одними из важнейших биогенных элементов: ионы калия повышают интенсивность окислительных реакций, оказывают сильное воздействие на образование белков, участвуют в активном транспорте ионов через мембрану клеток, усиливают их функциональную активность, а фосфор входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, фосфорных эфиров углеводов, многих коферментов и других органических соединений. Известно, что химические реакции с участием фосфора составляют основу энергетики живой клетки.
Процесс экстракции продукта ферментации направлен на получение раствора, включающего вещества, способные влиять на активизацию почвенных процессов, а также на ростовые процессы растений.
После этих двух основных технологических стадий осуществляют фильтрацию экстрагированной массы под давлением сжатого воздуха до 3 атм для максимального отделения мелкодисперсной твердой фазы. В итоге получается жидкофазное биосредство с высоким уровнем биогенности, питательности и физиологичности как результат процессов преобразований, протекающих в ферментируемой и экстрагируемой массе, что позволяет использовать его в качестве стимулятора для роста и развития растений, а также в качестве землеудобрительного препарата.
Осадок, образовавшийся после фильтрации, предлагается использовать для приготовления садовых смесей.
На чертеже изображена схема, поясняющая способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия.
Способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия включает следующие операции:
- измельчение навоза и торфа, взятых в соотношении компонентов 50:50;
- перемешивание измельченных компонентов;
- введение в смесь золы лиственных пород деревьев в количестве 3 мас.% торфонавозной смеси;
- дополнительное перемешивание смеси;
- проведение процесса ферментации в три стадии: первую стадию проводят при температуре 37°С в течение 48 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, третью - при температуре 37°С в течение 48 часов, причем на каждой стадии процесса ферментации через каждые 24 часа смесь продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 минут;
- проведение процесса экстракции твердофазного продукта ферментации при температуре 22°С в течение 48 часов растворителем, в качестве которого берут 1%-ный раствор калия фосфорнокислого;
- фильтрацию экстрагированной массы под давлением до 3 атм.
Пример использования способа.
Готовят исходную смесь из 100 кг навоза и 100 кг торфа. Исходное сырье тщательно перемешивают и измельчают до получения практически монодисперсной системы. Далее полученную смесь обогащают золой лиственных пород в количестве 6 кг. Снова все перемешивают и загружают в корпус ферментера. После этого начинается трехстадийный ферментационный процесс.
Первую стадию проводят при температуре 37°С с продувкой воздухом по 30 минут через каждые 24 ч при продолжительности процесса в течение 48 ч. На второй стадии смесь нагревают до 55-60°С с продувкой воздухом через 24 ч при продолжительности процесса в течение 24 ч. Третью стадию проводят при температуре 37°С с продувкой воздухом по 30 минут через каждые 24 ч при продолжительности процесса в течение 48 ч.
2
4
Продукт ферментации, представляющий собой твердый сыпучий материал, поступает в экстрактор. Одновременно в резервуар экстрактора подают растворитель (экстрагент) - 1%-ный раствор KHPO в количестве 580,7 л (для получения в конечном итоге маточного 10%-ного раствора жидкофазного биосредства). Экстракцию проводят в течение 48 ч при температуре 22°С.
По окончании экстракции экстрагированную массу подвергают фильтрации. Жидкофазное биосредство, полученное по предлагаемому способу, имеет богатый состав (табл.1). Оно предлагается для использования в растениеводстве для ускорения прорастания семян, улучшения роста и развития растений, а также в земледелии для активизации почвенно-микробиологических процессов (табл.3).
Заявленный способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия промышленно осуществим, а полученное данным способом биосредство применимо в сельском хозяйстве как биостимулятор для роста и развития растений, а также для активизации почвенно-микробиологических процессов. В качестве примера конкретного применения полученного жидкофазного биосредства было заложено две серии опытов.
I серия.
1 опыт.
В чашках Петри проращивали по 25 семян яровой пшеницы сорта «Лада». Семена орошали водопроводной водой.
2 опыт.
В чашках Петри также проращивали по 25 семян яровой пшеницы сорта «Лада», но орошение проводили 0,5% раствором полученного заявленным способом биосредства.
3 опыт.
В чашках Петри также проращивали по 25 семян яровой пшеницы сорта «Лада», но орошение проводили 1,0% раствором полученного заявленным способом биосредства.
Все три опыта от начала до конца проводили в одинаковых условиях согласно общепринятой методике. Результаты опытов приведены в таблице 2, из которой можно сделать вывод, что, действительно, полученное заявленным способом жидкофазное биосредство является биостимулятором роста и развития растений.
II серия.
1 опыт.
3
На дно деревянных отсеков (15 см × 15 см) устанавливали дренаж. Затем вносили дерново-подзолистую глееватую почву (плотность сложения 1,31 г/см; гумус = 2,57%) и засевали яровую пшеницу в каждый отсек. Почву в каждом отсеке опрыскивали водопроводной водой.
2 опыт.
3
На дно деревянных отсеков (15 см × 15 см) устанавливали дренаж. Затем вносили дерново-подзолистую глееватую почву (плотность сложения 1,31 г/см; гумус = 2,57%) и засевали яровую пшеницу в каждый отсек. Почву в каждом отсеке опрыскивали жидкофазным биосредством 0,3%-ной концентрации.
3 опыт.
3
На дно деревянных отсеков (15 см × 15 см) устанавливали дренаж. Затем вносили дерново-подзолистую глееватую почву (плотность сложения 1,31 г/см; гумус = 2,57%) и засевали яровую пшеницу в каждый отсек. Почву в каждом отсеке опрыскивали жидкофазным биосредством 0,5%-ной концентрации.
Все три опыта от начала до конца проводили в одинаковых условиях согласно общепринятой методике. Результаты опытов приведены в таблице 3, из которой можно сделать вывод, что, действительно, полученное заявленным способом жидкофазное биосредство способствует активизации почвенной микрофлоры.
Таблица 1
Характеристика жидкофазного биосредства
Наименование показателя
Результаты испытаний
1. Вид, цвет, консистенция
Жидкость темно-коричневого цвета
2, Массовая доля сухого остатка, %, не более
3,0
3. Кислотность (pH)
7,5-8,0
4. Массовая доля общего азота (N), г/л
0,2
5. Массовая доля общего фосфора (P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>), г/л, не более
10,0
6. Массовая доля общего калия (K<sub>3</sub>O), г/л, не более
9,0
7. Массовая доля кальция (CaO), г/л, не более
0,1
8. Массовая доля магния (MgO), г/л, не более
0,5
9. Количество аммонифицирующих микроорганизмов, КОЕ/мл
2,8×10<sup>9</sup>…3×10<sup>9</sup>
10. Количество амилолитических микроорганизмов, КОЕ/мл
4×10<sup>9</sup>…4,5×10<sup>9</sup>
11. Количество микроорганизмов, выделяющих свободные аминокислоты, КОЕ/мл
9×10<sup>8</sup>…1×10<sup>9</sup>
12. Количество фосфатмобилизующих микроорганизмов, КОЕ/мл
1,7×10<sup>9</sup>…2×10<sup>9</sup>
13. Количество микроорганизмов, потребляющих глюкозу в качестве единственного источника углерода, КОЕ/мл
7×10<sup>8</sup>…7,5×10<sup>8</sup>
14. Количество микроорганизмов, потребляющих сорбит в качестве единственного источника углерода, КОЕ/мл
6×10<sup>8</sup>…6,5×10<sup>8</sup>
15. Количество микроорганизмов, потребляющих сахарозу в качестве единственного источника углерода, КОЕ/мл
1,5×10<sup>9</sup>…2×10<sup>9</sup>
16. Количество энтеробактерий, КОЕ/мл, не более
1×10<sup>5</sup>
17. Массовая доля общих сахаров, мг/л, не менее
300,0
18. Массовая доля триптофана, мг/л, не более
3,0
19. Активность каталазы, см<sup>3</sup> O<sub>2</sub>/мл/мин
0,15-0,20
20. Активность НАДН<sub>2</sub>-дегидрогеназы, мг ТФФ/мл/сут
1,5-2,0
Таблица 2
Влияние жидкофазного биосредства на рост и развитие яровой пшеницы сорта «Лада»
Наименование
Без использования жидкофазного биосредства
При использовании 0,5%-ного жидкофазного биосредства
При использовании 1,0%-ного жидкофазного биосредства
Средние длины проростков и корневой системы, см
10,91/12,11
13,31/14,14
12,87/13,57
Средние массы проростков и корневой системы, мг
7,33/6,56
9,05/7,66
8,73/7,11
Суммарная масса проростков и корневой системы, мг
13,89
16,71
15,84
Всхожесть, %
84
94
92
Таблица 3
Влияние жидкофазного биосредства на развитие микроорганизмов почвы (млн./г) под яровой пшеницей сорта «Лада»
Микроорганизмы
Численность некоторых микроорганизмов
без использования жидкофазного биосредства
при использовании 0,3% жидкофазного биосредства
при использовании 0,5% жидкофазного биосредства
Амилолитические
10,4
22,2
11,3
Аммонифицирующие
2,6
4,1
3,2
Фосфатмобилизующие
5,7
12,7
10,1
Выделяющие свободные аминокислоты
2,5
4,6
3,1
Потребляющие сахарозу в качестве единственного источника углерода
2,3
4,1
3,3
Потребляющие глюкозу в качестве единственного источника углерода
1,4
4,1
2,1