Использование фототрофных бактерий для приготовления компоста из осадка сточных вод

Вестник ДВО РАН. 2013. № 5

УДК 579.6

О.А. КИРИЕНКО, Г.Н. ГАНИН

Использование фототрофных бактерий для приготовления компоста из осадка сточных вод

Приводятся результаты обогащения илодробинного компоста культурой фототрофных бактерий в процессе его приготовления. Благодаря симбиотическим взаимоотношениям фототрофных бактерий с орга-нотрофными микроорганизмами компостной смеси ускоряется процесс деструкции и переработки органических отходов. Готовый компост обладает улучшенными агрохимическими качествами.

Ключевые слова: фототрофные бактерии, компостирование, органические отходы, осадок сточных вод.

The use of phototrophic bacteria for compost production from sewage sludge. О.А. KIRIENKO, G.N. GANIN (Institute of Water and Ecology Problems, FEB RAS, Khabarovsk).

The paper presents the results of mashed compost enrichment with a phototrophic bacterial culture at its preparation stage. Owing to symbiotic relations of phototrophic bacteria with organotrophic microorganisms in the compost mixture the organic waste decomposition and recycling are accelerated. The finished compost has an improved agrochemical performance.

Key words: phototrophic bacteria, composting, organic waste, sewage sludge.

С агроэкологической точки зрения наиболее целесообразным видом переработки органогенных целлюлозосодержащих материалов является компостирование. Компостирование - это, с одной стороны, утилизация отходов, а с другой - получение ценного органического удобрения для восстановления плодородия почв, т.е. одновременно решаются экологическая и экономическая задачи [8, 9, 11, 13]. Благодаря полезным микроорганизмам, содержащимся в органических удобрениях, вытесняются фитопатогенные виды микроорганизмов, происходит оздоровление почвы, накопление в ней биологически активных веществ.

Фототрофные пурпурные несерные бактерии (ФТБ) - специфическая группа микроорганизмов, обладающих широким спектром метаболических путей [8, 12]. Данная группа бактерий находится в тесных трофических взаимоотношениях со многими органотроф-ными микроорганизмами, способными к деградации высокомолекулярных веществ. На этом принципе основаны методы очистки сточных вод с высоким содержанием органических веществ и повышенным биохимическим потреблением кислорода [13]. Вместе с комплексом симбиотических микробов ФТБ осуществляют деструкцию трудноразлагае-мых веществ, загрязнителей, продуктов полураспада.

Участие ФТБ в биоконверсии осадка сточных вод и отходов пивоваренного производства в составе консорциума микроорганизмов представляет большой интерес. Вступая в симбиотические отношения с органотрофными микроорганизмами компостной смеси, ФТБ создают возможность для более эффективной биодеградации ее компонентов.

Цель данной работы - показать преимущества илодробинного компоста, обогащенного фототрофными бактериями. Основная задача исследования - сравнение двух способов

* КИРИЕНКО Ольга Александровна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ГАНИН Геннадий Николаевич - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник (Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск). *E-mail: micro@ivep.khb.ru

приготовления илодробинного компоста (с внесением и без внесения ФТБ). Сравнительный анализ компостов проводили с использованием санитарно-паразитологических, са-нитарно-бактериологических, почвенно-микробиологических и агрохимических показателей, фито- и зоотестов.

При проведении опытов готовили илодробинный компост согласно запатентованному способу [3] без фототрофных бактерий (бурт № 1, контроль) и компост, обогащенный культурой несерных пурпурных фототрофных бактерий (бурт № 2). Известно, что при разложении и гумификации органических остатков происходит закономерная смена микробного комплекса в соответствии с последовательностью изменения состава и содержания в них веществ, а также среды, в которой протекают процессы преобразования исходного материала [10, 12]. Принцип применения ФТБ при компостировании основан на закономерной последовательности сукцессионного изменения микробного комплекса [8].

В качестве сырья для развития комплекса симбиотических органотрофных микроорганизмов при приготовлении илодробинного компоста использовали пивную дробину, обезвоженный осадок сточных вод и целлюлозосодержащий влагопоглощающий компонент в виде опилок. Как отход пивоварения, пивная дробина представляла собой полноценный источник питания для роста и размножения таких микробов и служила дополнительным источником агрохимически важных веществ (азот, фосфор, калий) для почвы. Опилки оптимизировали химический состав смеси (отношение углерода к азоту). Для ускорения компостирования и более глубокой биохимической трансформации смеси к ней добавляли компостную закваску, содержащую смесь высокоактивных микроорганизмов-деструкторов [10]. Смешивание закваски и компонентов в определенном количественном соотношении [3] приводило к интенсификации экзотермической реакции и в результате - к быстрой санации ОСВ при саморазогреве смеси, что вызывало гибель геогельминтов и многих патогенных микроорганизмов. В процессе ворошения буртов компостируемую смесь аэрировали, что важно для симбиотических органотрофных микроорганизмов; естественное подсушивание компоста после расстилания буртов снижало содержание бактерий группы кишечной палочки в осадке сточных вод до нормативного уровня по ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 [5].

Илодробинный компост с применением ФТБ готовили в соответствии с формулой изобретения [4]. После завершения первой (высокотемпературной) стадии компостирования смесь слоем около 1 м размещали для естественного подсушивания. Половину всех буртов поливали жидкой культурой ФТБ вида Rhodobacter capsulatus, содержащей 109-1010 клеток в 1 мл суспензии, в объемных соотношениях к смеси 1 : 50. (Жидкая культура пурпурных фототрофных бактерий этого вида хранится в музейной коллекции лаборатории экологической биотехнологии ИВЭП ДВО РАН, Хабаровск.) На 65-70-е сутки компостирования отбирали пробы из буртов № 1 и № 2 для санитарно-паразитологиче-ских и санитарно-бактериологических анализов компостируемых смесей. Через 100 сут отбирали пробы для почвенно-микробиологических и агрохимических исследований. Для зоотеста готового компоста использовали земляного червя Eisenia fetida Sav. [2]. Оценку фитотоксичности, т.е. степени зрелости компоста, проводили с использованием кресс-салата (Lepidium sativum) [7].

Агрохимический анализ компоста проводили стандартными методами [1 и др.]. В процессе компостирования отбирали образцы компоста для проведения микробиологического анализа общепринятым в микробиологии методом посева в 5-кратной повторности на среды: для учета бактерий - мясо-пептонный агар, для актиномицетов - крахмал-аммиачный агар, для грибов - подкисленную среду Чапека [6 и др.].

Как показывают результаты исследований, ФТБ оказывали положительное активизирующее влияние на размножение агрономически полезных микроорганизмов и в почве и в компосте. Так, на 100-е сутки компостирования почвенно-микробиологический анализ выявил в пробах бурта № 2 явно усиленные противогрибковые свойства (рис. 1, верхний

Рис. 1. Угнетение грибов в компосте. Верхний ряд - с ФТБ, нижний ряд - без ФТБ

ряд) по сравнению с контролем (бурт № 1). Это было обусловлено более активным ростом и развитием бациллярных и актиномицетных форм микроорганизмов - антагонистов грибов в присутствии ФТБ. Об этом можно судить по таким общепринятым показателям зрелости компоста, как отношения Бц/Г и А/Г, значения которых выше, чем в компосте без ФТБ (табл. 1).

Таблица 1

Влияние ФТБ на размножение бациллярных бактерий и актиномицетов в компосте, тыс./г

Вариант опыта Бактерии (Б) | Бациллы (Бц) | Актиномицеты (А) | Грибы (Г) | Б/Г | Бц/Г | А/Г

Бурт № 1 (контроль) Бурт № 2 (компост с ФТБ) 1020 240 138 20 50 12 7 1234 857 1010 10 126 87 102

ФТБ - едва ли не единственная микробная группа, выделяющая АТФ (аденозинтри-фосфорная кислота); по сравнению с другими бактериями они синтезируют больше витаминов, особенно В2, В6, В12, Е, нуклеиновых кислот и аминокислот. Этими выделениями ФТБ привлекают к себе другие микроорганизмы, в особенности так называемые орга-нотрофные виды, способные окислять высокомолекулярные органические соединения, и стимулируют их размножение. Таким образом, ФТБ, не обладающие способностью расщеплять длинные цепочки углеродной связи, получают «пищу» для своего существования и вместе с симбиотическими микроорганизмами осуществляют деструкцию трудноразла-гаемых веществ, токсикантов и загрязнителей, продуктов полураспада в процессе компостирования [8].

Кроме того, агрохимические показатели проб из буртов №2 1 и №2 2, взятые через 100 сут, выявили более высокое качество компоста, полученного с применением ФТБ (табл. 2). В этом варианте компоста отмечалось повышенное содержание гуминовых кислот (ГК), суммы гуминовых и фульвокислот (ГК + ФК), более высокие показатели емкости катион-ного обмена, что характеризует его как более зрелый.

Таблица 2

Агрохимические показатели компостов

Вариант опыта С, % С Сфк Азот нитратный, мг/кг Фосфор подвижный, мг/кг Калий подвижный, мг/кг Емкость катионного обмена, мг-экв / 100 г

ГК, % ФК, % ГК+ФК

Бурт № 1 (контроль) Бурт № 2 (компост с ФТБ) 4,45 2,74 7,19 1,62 177 9650 835 40 5,68 2,85 8,53 1,99 215 10750 909 56

Зоотестирование с использованием земляного червя Eisenia fétida показало повышенные качества компоста с ФТБ (бурт № 2) как среды обитания для почвенных беспозвоночных. Через 3 мес содержания в таком компосте численность червей была в 1,5 раза выше, чем в контроле (табл. 3).

Таблица 3

Выживаемост ь червей E.fetida в разных видах компоста, экз.

Вариант опыта Исходное количество Экспозиция

1 мес 2 мес 3 мес

Бурт № 1(контроль) Бурт № 2 (компост с ФТБ) 50 50 50 52 50 50 61 78

Фитотестирование с использованием кресс-салата также выявило более высокие свойства компоста с ФТБ (рис. 2), где кресс-салат более развит.

Рис. 2. Фитотест с кресс-салатом (справа налево, вертикально в двух повторностях): проростки на компосте без ФТБ (бурт № 1), проростки на компосте с ФТБ (бурт № 2); отдельно слева - контроль всхожести семян

Таким образом, илодробинный компост, обогащенный ФТБ, является агрономически более качественным за счет увеличения катионно-обменной емкости и повышенного содержания гуминовых кислот. Он обладает противогрибковыми свойствами в отношении фитопатогенных микромицетов, что обусловлено активным ростом и развитием бациллярных и актиномицетных форм микробов-антагонистов грибов в присутствии ФТБ. Данный продукт начали применять в городском зеленом строительстве, при лесовосстановлении, он может быть с успехом использован для биоремедиации загрязненных почв.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почвы. М.: Изд-во МГУ, 1971. 467 с.

2. Ганин Г.Н. Влияние олигохет на содержание поллютантов в осадке сточных вод и использование их для биотестирования компостов на основе ОСВ // Агрохимия. 2011. № 1. С. 75-80.

3. Ганин Г.Н., Домнин К.В. Способ приготовления илодробинного компоста // Патент РФ № 2369586. Б.И. ФИПС РФ. 2009. № 28.

4. Ганин Г.Н., Кириенко О.А. Способ приготовления компоста из осадка сточных вод с применением фототрофных бактерий // Заявка на патент № 2012118540 от 04.05.2012.

5. ГОСТ Р 17.4.3.07-2001. Требования к свойствам осадков сточных вод при использовании их в качестве удобрений.

6. Звягинцев Д.Г. Методы учета численности микроорганизмов в почвах // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. Л.: Наука, 1972. С. 37-48.

7. СанПиН 2.1.7.573-96. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения.

8. Тен Хак Мун. Аноксигенные фототрофные бактерии: Практический аспект для охраны окружающей среды. Владивосток: Дальнаука, 2009. 116 с.

9. Тен Хак Мун, Кириенко О. А., Имранова Е.Л. Влияние качества компостов на скорость деградации нефтепродуктов в почве // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 1. С. 82-84.

10. Тен Хак Мун, Чен Ван Фень, Имранова Е.Л., Кириенко О. А., Ганин Г.Н. Влияние компостной закваски на компостирование органических остатков // Агрохимия. 2004. № 2. С. 63-66.

11. Экологическая биотехнология / под ред. К.Ф. Форстера и Д.А. Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990. 383 с.

12.Kobayashi M. Root activity and rhizosphera microorganisms. Tokyo: Nobunkyo, 1986. 200 p.

13.Kobayashi M. Waste Remediation and Treatment Using Anoxygenic Phototrophic Bacteria // Anoxygenic Phototrophic Bacteria. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 1995. P. 1269-1382.