СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАССЫ КРАСНЫХ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ, АДАПТИРОВАННЫХ К УСЛОВИЯМ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
METHOD TO PRODUCE BIOMASS OF RED EARTHWORMS ADAPTED TO CONDITIONS OF OIL CONTAMINATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к технологии размножения культуры дождевых червей в питательной среде и получения их специализированных популяций. Полученный по заявляемому способу червесубстрат может использоваться в технологии ликвидации последствий аварийных розливов нефти и нефтепродуктов на железнодорожном, трубопроводном и автомобильном транспорте, а так же для улучшения экологической ситуации вокруг источников углеводородного загрязнения (автозаправки, резервуарные парки, нефтебазы, буровые скважины, придорожные площади).
Анализ существующего уровня техники позволил выявить следующие аналоги:
- не известны способы культивирования дождевых червей, адаптированных к условиям нефтяного загрязнения;
6
6
6
6
- известны способы культивирования дождевых червей с целью получения биогумуса и биомассы, включающие приготовление компоста из органических отходов, закладку компоста в культиваторы и заселение его дождевыми червями, в процессе культивирования поддерживают оптимальные физико-химические условия для жизнедеятельности дождевых червей (см. патент РФ №2090541 от 07.09.1995 по МПК C05F 17/00, опубл. 20.09.1997 г., патент РФ №2097368 от 01.09.1995 по МПК C05F 3/06, опубл. 27.11.1997 г.; патент РФ №2049082 от 27.05.1993 по МПКC05F 7/00, опубл. 27.11.1995 г.; патент РФ №2013868 от 01.04.1996 по МПК А01К 67/033, опубл. 20.09.1997 г.; патент США N 4513685, кл. А01К 67/00, 1985 г.; заявка Японии 2-48212 от 16.07.81 кл. А01К 61/00 опубл. 24.10.1990 г.; заявка Франции №2615690 от 27.05.1987 г., кл. А01К 63/00 опубл. 02.12.1988 г.).
Недостатком способов является отсутствие адаптации получаемых популяций дождевых червей к условиям нефтяного загрязнения и, соответственно, невысокая эффективность получаемых популяций при применении червей в процессах очистки и восстановления экологических функций субстратов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, высокий процент гибели особей при внесении в субстраты, загрязненные нефтью;
6
- в качестве прототипа нами взят способ получения технологических (специализированных) популяций пород компостного дождевого червя Eisenia foetida (см. патент РФ №2058737 от 29.10.1991 г. по МПКА01К 67/033, опубл. 27.04.1996 г.). По способу компостных червей дикой популяции помещают в 25-40 см слой компоста из навоза. Выдерживают червей в нем в течение трех циклов развития (каждый цикл - 140-180 суток), поддерживают для нормальной жизнедеятельности оптимальную влажность. Подкормку червей осуществляют ежемесячно.
Недостатком способа является отсутствие адаптации получаемых популяций дождевых червей к условиям нефтяного загрязнения и, соответственно, невысокая эффективность получаемых популяций при применении червей в процессах очистки и восстановления экологических функций субстратов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, высокий процент гибели особей при внесении в субстраты, загрязненные нефтью.
Технический результат от применения заявленного способа сводится к следующему:
повышается устойчивость дождевых червей к загрязнению субстратов нефтью и нефтепродуктами при сохранении их биологической активности, при этом повышается верхний предел толерантности червей к нефтяному загрязнению.
Указанный технический результат достигается с помощью сбора червей дикой популяции, помещения их в компост, содержащий органические отходы, в слой толщиной 25-40 см и выдерживания в нем в течение трех циклов развития, каждый из которых длится 140-180 суток при поддержании оптимальной влажности среды, то есть так, как указано в прототипе. Мы предлагаем:
- для приготовления компоста измельчить органический материал до размеров частиц 20-50 мм и обработать его молочной сывороткой в соотношении компонентов: 40-80 л последней:1 т органического материала и оставить для брожения;
- дополнительно смешать полученный компост с черноземом или сапропелем в соотношении компонентов: 1 мас. часть одного из последних:4 мас. части компоста;
- полученную смесь обработать сырой нефтью в соотношении компонентов: 0,6 мас.% последней:100 мас.% полученной смеси;
- заселить обработанную смесь аборигенными видами красных дождевых червей в количестве 25-30 особей на 1 кг смеси;
- проводить подкормку червей смесью компоста и чернозема или сапропеля, обработанной сырой нефтью еженедельно;
- в качестве органического материала использовать листовой опад или лузгу подсолнечника, или плодовый жмых, или жом подсолнечный необрушенный, или ботву сельскохозяйственных культур, или вяленную траву, или отходы томатов, или отходы капусты, или виноградные выжимки. Выполняемая функция указанных материалов равнозначна;
- на территории Юга России использовать червей вида Lumbricidus rubellus;
- использовать сырую нефть Ставропольских месторождений или другую высокопарафинистую нефть;
- в качестве молочной сыворотки использовать подсырную или творожную, или казеиновую.
На основании вышеизложенного заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.
Дождевые черви широко распространенные почвенные беспозвоночные. В каждом регионе встречается несколько основных видов дождевых червей, адаптированных к местным климатическим и почвенным условиям. Технологических червей с требуемыми свойствами наиболее целесообразно получать из местных диких популяций. Сбор дождевых червей целесообразно производить в весеннее время, необходимо вместе с червями взять небольшое количество субстрата, в котором они находились в природных условиях. Смена пищи, химического состава и кислотности субстрата является сильнейшим стресс-фактором, который может вызвать массовую гибель червей - до 30% от общего количества особей. Поэтому, в первые несколько суток культивирования, дождевым червям необходимо обеспечить максимально привычные условия, чтобы адаптация к новым условиям культиватора прошла наименее болезненно.
К червям, используемым в промышленности, предъявляются определенные требования. Они должны иметь повышенную прожорливость, подвижность, обеспечивать высокую степень разложения органических субстратов, обладать устойчивостью к заболеваниям и физико-химическим воздействиям, высокой скоростью адаптации к перерабатываемым субстратам. В нашем случае, кроме вышеперечисленных требований дождевые черви должны обладать повышенным верхним пределом толерантности к нефтяному загрязнению субстратов.
В условиях загрязнения среды обитания дождевых червей углеводородами нефти наблюдается резкое снижение их численности. При среднем (от 2000 до 3000 мг) и высоком (от 3000 до 5000 мг/кг) уровне загрязнения (Руководящий документ «Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах» / утвержден Минтопэнерго РФ 01.11.95 г. - М., 1996. - 68 с.) наблюдается гибель от 30 до 80% особей. Черви теряют подвижность, плохо закапываются в субстрат, ползают по поверхности. На 2-3 сутки у выживших особей на покровных тканях наблюдаются очаги некроза. Особи, имеющие повреждение покровных тканей более 40%, погибают в течение следующих 2-3 суток. Выжившие особи теряют массу, снижается их биологическая продуктивность. Количество отложенных коконов и молоди, из каждого отложенного кокона, сокращается по сравнению с незагрязненными субстратами на 80-90%. При этом черви, прошедшие адаптацию к нефтяному загрязнению, в зависимости от исходной концентрации нефти в субстрате, показывают выживаемость на 20-30% выше, чем черви, не проходившие такой адаптации. Соответствующие показатели продуктивности так же оказываются на 20% выше.
Для культивирования червей используется компост. Органические материалы измельчаются до размеров частиц 20-50 мм. Для более крупных частиц органического материала, размером более 50 мм, заметно увеличивается продолжительность компостирования, наблюдается заплеснивание поверхности компоста, при получении более мелких частиц, менее 20 мм, возрастает насыпная плотность субстрата, ухудшается его аэрация, подавляется деятельность аэробной микрофлоры. Компостируемые органические материалы заявляемого размера частиц превращаются в доступный, легкоусвояемый корм. При компостировании происходят сложные ферментативные процессы разложения растительных остатков. Во время компостирования температура органического материала повышается, подавляется развитие споровых форм патогенных бактерий, нематод, плесневых грибов и т.д., одновременно создаются особо благоприятные условия для развития почвенной термофильной азотфиксирующей микрофлоры. Для активизации процессов разложения целлюлозосодержащей органики и подавления процессов гниения, компостируемый материал обрабатывают молочной сывороткой из расчета 40-80 л на 1 т органического материала. При использовании меньшего количества сыворотки, то есть менее 40 л/т, процессы гниения не будут полностью подавлены, требуемая численность молочнокислой микрофлоры не будет достигнута; при внесении больших объемов молочной сыворотки, то есть более 80 л/т, влажность органического материала будет чрезмерной. Оптимальная температура компостирования 19-35°С. При более низкой или высокой температуре активность микроорганизмов низкая, время созревания компоста увеличивается, а его товарные свойства ухудшаются. Компостирование протекает с выделением углекислоты, метана и аммиака, поэтому культивирование червей технологически возможно только в полупревшем компосте.
Полученный компост смешивают с черноземом или сапропелем в соотношении компонентов: 1 мас. часть чернозема или сапропели:4 мас. части компоста. Увеличение доли компоста в смеси приведет к повышению кислотности смеси выше оптимальной для жизнедеятельности дождевых червей, снижение доли компоста не обеспечит червей необходимым количеством корма. Для получения кормовой смеси, адаптирующей дождевых червей к условиям нефтяного загрязнения, в полученную смесь вносят сырую высокопарафинистую нефть в соотношении компонентов 1 мас.% последней: 100 мас.% полученной смеси. Концентрации ниже 1 мас.% нефти в кормовой смеси находится ниже порогового значения, формирующего устойчивый адаптивный механизм к присутствию углеводородов. Более высокие концентрации приводят к снижению плодовитости червей. Дождевые черви Lumdricus rubellus в природных условиях обитают в верхнем слое субстрата, на глубине около 35-40 см, поэтому начальная высота компоста в культиваторе не должна превышать это значение. Использование слоя компоста менее 25 см снизит производительность культиватора по биогумусу и увеличит интенсивность пересыхания субстрата. Заселение полученного субстрата дождевыми червями производится из расчета 25-30 особей на 1 кг смеси, содержащей сырую нефть. При меньшей плотности популяции плодовитость червей будет невысокой. Увеличение плотности заселения выше заявляемой приводит в конце цикла культивирования к переуплотнению популяции, а особи становятся мелкими, общий выход биомассы червей снижается, предельная плотность популяции может быть достигнута до окончания срока культивации. Предельная плотность популяции - это плотность особей, при которой популяция прекращает свое развитее. Следует отметить, что наиболее устойчивые особи, способные выдерживать повышенные концентрации нефти и нефтепродуктов в почве, обладающие достаточной плодовитостью, появляются во втором - третьем поколении червей в культиваторе, то есть через 140-180 суток. Поэтому превышение рекомендуемой плотности заселения не эффективно.
Жизнедеятельность дождевых червей и симбиотной микрофлоры приводит к снижению содержания нефти в субстрате, поэтому требуется еженедельно производить наслаивание кормовой смеси. При этом черви перемещаются из нижнего слоя в верхний. Установлено, что червь потребляет в сутки количество компоста, равное его собственной массе. Это является исходной нормой для докорма культивируемой популяции червей. Следует отметить, что в получаемом биогумусе за время культивирования популяции червей активизируется углеводородокисляющая микрофлора. Таким образом, полученный червесубстрат содержит дождевых червей, адаптированных к условиям нефтяного загрязнения, и биогумус с активированной углеводородокисляющей микрофлорой. Применение полученного червесубстрата повысит эффективность его использования в технологиях очистки и восстановления экологических функций нефтезагрязненных субстратов.
Изучив патентную документацию и научно-техническую литературу в данной области, мы пришли к выводу, что не известно приготовление компоста для дождевых червей по заявляемому способу, а так же внесение в смесь для культивирования дождевых червей сырой нефти. При этом мы рекомендуем использовать дождевых червей аборигенных видов, а для Юга России - дождевых червей Lumdricus rubellus. При этом получена популяция червей с повышенным верхним пределом толерантности к нефтяному загрязнению. Считаем, что заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.
Пример 1. Проводится культивирование дождевых червей Lumdricus rubellus, адаптированных к условиям нефтяного загрязнения. Сбор дикой популяции осуществляют в местах естественных скоплений: лесная листовая постилка, заброшенные бурты с навозом и пр.
Готовят компост. Листовой опад измельчают в дезинтеграционной установке марки 99-3 до размеров 20-50 мм, и закладывают в емкости. Подобранная дезинтеграционная установка на выходе обеспечивает заявляемый предел размеров частиц. Измельченный листовой опад в количестве 1 т обрабатывают молочной сывороткой по ОСТ 49-92-75 в количестве 40 л, а именно творожной сывороткой. Оставляют для заквашивания и ферментирования при температуре 19-35°С (весенне-летний период) на 5 суток на воздухе.
Готовят смесь для культивирования дождевых червей. Для этого 1 т (4 мас. части) компоста смешивают с 250 кг (1 мас. часть) чернозема, добавляют 12,5 кг (1 мас.%) сырой нефти Ставропольских месторождений. Готовую смесь массой 12 603 кг переносят в культиватор.
Заселение культиватора дождевыми червями производят по следующей методике: В среднем одна половозрелая молодая особь Lumdricus rubellus весит 0,65 г. На 1 кг чернозема заявлено 25 особей дождевых червей, что соответствует примерно 25*0,65% 16 г живой массы. Определяем требуемую живую массу для заселения 12 603 кг готовой смеси: 12603*16=201648 г=201,648 кг. Для получения живой массы собранных дождевых червей промывают нехлорированной дождевой водой, обсушивают и производят необходимое взвешивание. Отмеренное количество переносят в культиватор.
Еженедельно производят ручной полив до оптимальной влажности 70-75%. Еженедельно в культиватор добавляют свежую обработанную нефтью смесь, количество которой зависит от общей численности популяции, и составляет 75 кг для первого цикла, 250 кг для второго цикла и 400 кг для третьего цикла. Через 180 суток численность дождевых червей в субстрате составляет приблизительно 400000-500000 особей.
На фиг.1 представлен график зависимости выживаемости дождевых червей от концентрации нефти в черноземе, при этом пунктирной кривой обозначена выживаемость дикой популяции червей, а сплошной кривой - адаптированных к нефтяному загрязнению по заявляемому способу.
Полученные технологические черви способны сохранять выживаемость в среднезагрязненных субстратах в пределах 93-98%, в высокозагрязненных 60-80%.
Пример 2. Сбор дикой популяции осуществляют, как указано в примере 1.
Готовят компост, как указано в примере 1, но в качестве органического материала используют ботву сельскохозяйственных культур, которую обрабатывают молочной сывороткой, а именно казеиновой в количестве 60 л на 1 т ботвы сельскохозяйственных культур.
Готовят смесь для культивирования дождевых червей, как в примере 1, но 1 т (4 мас. части) компоста смешивают с 250 кг (1 мас. часть) сапропели, добавляют 12,5 кг (1 мас.%) сырой нефти Ставропольских месторождений. Готовую смесь переносят в культиватор.
Расчет требуемой живой массы для заселения культиватора: На 1 кг сапропели заявлено 30 особей дождевых червей, что соответствует примерно 30*0,65≈20 г живой массы. Определяем требуемую живую массу для заселения 12 603 кг готовой смеси: 12 603*20=252060 г=252,06 кг. Отмеренное количество переносят в культиватор и проводят операции так, как указано в примере 1.
Через 140 суток численность дождевых червей в субстрате примерно составит 600000 особей. Полученные технологические черви способны сохранять выживаемость в среднезагрязненных субстратах в пределах 93- 98%, в высокозагрязненных 60-80%.
На фиг.2 представлен график зависимости плодовитости дождевых червей от концентрации нефти в сапропели, при этом пунктирной кривой обозначено количество отложенных коконов дикой популяции червей, а сплошной кривой - адаптированных к нефтяному загрязнению по заявляемому способу.
Пример 3. Сбор дикой популяции осуществляют, как указано в примере 1.
Готовят компост, как указано в примере 1, но в качестве органического материала используют отходы капусты, обрабатывают молочной сывороткой, а именно подсырной в количестве 80 л на 1 т отходов капусты.
Готовят смесь для культивирования дождевых червей, как в примере 2.
Расчет требуемой живой массы для заселения культиватора проводят, как примере 2. Далее проводят операции, как указано в примере 1.
Через 160 дней численность дождевых червей в субстрате приблизительно составит 500 000 особей. Полученные технологические черви способны сохранять выживаемость в среднезагрязненных субстратах в пределах 80-90%, в высокозагрязненных 50-70%.
Заявляемое техническое решение соответствует условию промышленной применимости.