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

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам получения жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия.
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.
Известен 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), 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.
Известен способ получения жидкофазного биосредства для роста и развития растений (Пат. РФ №2365568, Кл. C05F 11/00, 2008, прототип), включающий проведение процесса ферментации торфонавозной смеси, приготовленной при соотношении компонентов 50:50 и с введением в смесь золы лиственных пород деревьев в количестве 3 мас.%, в три стадии с последующей экстракцией твердофазного продукта ферментации 1%-ным раствором калия фосфорнокислого в течение 48 ч при температуре 22°C и фильтрацией экстрагированной массы под давлением до 3 атм. Первую стадию процесса ферментации проводят в течение 48 ч при температуре 37°C, вторую - в течение 24 ч в температурном интервале 55-60°C, третью - в течение 48 ч при температуре 37°C, при этом осуществляют продувку смеси воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 ч. Получают жидкофазное биосредство с высоким уровнем биогенности, питательности и физиологичности, позволяющее использовать его для улучшения роста и развития растений, а также для активизации почвенно-микробиологических процессов.
Общим недостатком известных способов получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия является меняющиеся со временем состав и свойства известных жидкофазных биосредств из-за наличия в них живой микрофлоры, вызывающей процессы аммонификации (гниение, разложение белковых веществ), сопровождающиеся выделением аммиака и сероводорода, о чем свидетельствует появляющийся со временем неприятный запах.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в получении жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия, состав и свойства которого при хранении не уступают составу и свойствам свежеприготовленного жидкофазного биосредства.
Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в увеличении времени эффективного использования жидкофазного биосредства, полученного заявленным способом.
Технический результат достигается тем, что способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия включает проведение процесса ферментации торфонавозной смеси, обогащенной биологически активной добавкой - золой лиственных пород деревьев в количестве 3% от массы торфонавозной смеси, в три стадии: первой и третьей - в течение 48 ч при температуре 37°C, второй - в течение 24 ч в температурном интервале 55-60°C, при этом осуществляют продувку смеси воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 ч, с последующими экстракцией твердофазного продукта ферментации 1%-ным раствором калия фосфорнокислого в течение 48 ч при температуре 22°C и фильтрацией экстрагированной массы. По окончании процесса экстракции в экстрагированную массу вводят натрий хлористый (NaCl) в сухом виде в количестве 8-12 мас.%, перемешивают компоненты до полного его растворения, после чего выдерживают экстрагированную массу в течение 12 ч при температуре 22°C. Кроме того, компоненты торфонавозной смеси берут в соотношении 50:50, а фильтрацию экстрагированной массы осуществляют под давлением до 3 атм. Готовое жидкофазное биосредство может сохранять свои состав и свойства в течение 6 мес при хранении его при температуре 3°C.
Введение натрия хлористого после проведения операции экстракции в экстрагированную массу в количестве 8-12 мас.% в сухом виде с последующими перемешиванием компонентов до полного растворения натрия хлористого и выдерживанием полученной экстрагированной массы в течение 12 ч при температуре 22°C обеспечивает решение поставленной задачи и получение технического результата: получение жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия, состав и свойства которого при хранении не уступают составу и свойствам свежеприготовленного жидкофазного биосредства, благодаря чему увеличится время эффективного использования заявленного жидкофазного биосредства. По окончании процесса экстракции экстрагированная масса характеризуется максимальным уровнем питательности, физиологичности и, кроме того, наличием большого количества микроорганизмов (биогенности), которое обусловлено способом получения твердофазного продукта ферментации, благоприятствующим их активному развитию. На первой стадии процесса, которая протекает 48 ч при температуре 37°C, 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°C, поэтому губительна для патогенной микрофлоры. Тем самым обеспечивается санитарно-гигиеническая чистота получаемого жидкофазного биосредства. Третья стадия процесса ферментации, протекающая в течение 48 ч при температуре 37°C, направлена на дальнейшую активизацию мезофильной агрономически полезной микрофлоры с целью ее сохранения в конечном жидкофазном биосредстве. 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
Извлечение питательных компонентов в раствор достигается экстракцией твердофазного продукта ферментации 1%-ным раствором калия фосфорнокислого (KHPO) в течение 48 ч при температуре 22°C. При этом KHPO одновременно выступает в качестве активатора микробиологической деятельности как источник питания и энергии для микроорганизмов, т.е. полученное жидкофазное биосредство содержит большое количество живой микрофлоры, вызывающей процессы аммонификации (гниение, разложение белковых веществ), сопровождающиеся выделением аммиака и сероводорода, о чем свидетельствует появляющийся со временем неприятный запах.
Развитие большинства микроорганизмов, в первую очередь гнилостных, подавляется введением в раствор натрия хлористого. Действие натрия хлористого основано на создании повышенного осмотического давления вокруг бактериальной клетки. Повышение осмотического давления в жидкофазном биосредстве выше определенного уровня приводит к прекращению жизнедеятельности микроорганизмов, их анабиозу и полному отмиранию. Осмотическое давление внутри бактериальной клетки обычно несколько выше давления окружающей среды. Обменные процессы микроорганизма с внешней средой нормально протекают только при наличии разности их осмотического давления. Повышение осмотического давления в жидкофазном биосредстве приводит к нарушению обмена бактериальной клетки с внешней средой, усилению выведения воды из клетки, ее обезвоживанию, уменьшению объема протоплазмы, отслоению ее от оболочки и гибели микробной клетки. Таким образом, под влиянием достаточно концентрированных растворов хлористого натрия от бактериальной клетки отнимается вода, а протоплазма подвергается обезвоживанию и плазмолизу.
Концентрации хлористого натрия 8-12% соответствуют 50-73 атм осмотического давления, что обеспечивает достаточный бактериостатический и бактерицидный эффект. Повышая осмотическое давление, хлористый натрий оказывает отрицательное действие на протоплазму бактериальной клетки ионами хлора, а также ухудшает условия развития аэробов путем уменьшения содержания кислорода в жидкофазном биосредстве. Под влиянием натрия хлористого происходит повышение осмотического давления внутри жидкофазного биосредства, в результате чего достигается бактериостатический эффект, обеспечивающий сохранение полученного состава и свойств жидкофазного биосредства и наиболее эффективно проявляющийся через 12 ч при температуре 22°C.
Для максимального отделения мелкодисперсной твердой фазы экстрагированную массу с внесенным натрием хлористым фильтруют под давлением сжатого воздуха до 3 атм.
Условия и срок хранения заявленного биосредства получены экспериментальным путем и составляют 6 мес при температуре 3°C.
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°C в течение 48 ч, вторую - в температурном интервале 55-60°C в течение 24 ч, третью - при температуре 37°C в течение 48 ч, причем на каждой стадии процесса ферментации через каждые 24 ч смесь продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин;
- проведение процесса экстракции твердофазного продукта ферментации при температуре 22°C в течение 48 ч растворителем, в качестве которого берут 1%-ный раствор калия фосфорнокислого;
- внесение 8-12 мас.% натрия хлористого в сухом виде в экстрагированную массу;
- перемешивание компонентов до полного растворения натрия хлористого и выдерживание смеси в течение 12 ч при температуре 22°C;
- фильтрацию экстрагированной массы с внесенным натрием хлористым под давлением до 3 атм.
Жидкофазное биосредство, полученное по предлагаемому способу, имеет богатый состав, который не ухудшается в течение 6 мес в случае его хранения при 3°C. Жидкофазное биосредство предлагается использовать в растениеводстве для улучшения роста и развития растений, а также в земледелии для активизации почвенно-микробиологических процессов. Осадок, образовавшийся после фильтрации, рекомендуется для приготовления садовых смесей.
Пример конкретного выполнения способа.
Готовят исходную смесь из 1,5 кг навоза и 1,5 кг торфа. Исходное сырье тщательно перемешивают и измельчают до получения практически монодисперсной системы. Далее полученную смесь обогащают золой лиственных пород в количестве 0,09 кг. Снова все перемешивают и загружают в корпус ферментера. После этого начинается трехстадийный ферментационный процесс.
Первую стадию проводят при температуре 37°C с продувкой воздухом по 30 мин через каждые 24 ч при продолжительности процесса в течение 48 ч. На второй стадии смесь нагревают до 55-60°C с продувкой воздухом через 24 ч при продолжительности процесса в течение 24 ч. Третью стадию проводят при температуре 37°C с продувкой воздухом по 30 мин 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 5,44 л (для получения в конечном итоге маточного 10%-ного раствора жидкофазного биосредства). Экстракцию проводят в течение 48 ч при температуре 22°C. Получили 8 л экстрагированной массы.
Далее по окончании экстракции экстрагированную массу используют для приготовления жидкофазного биосредства согласно заявленной технологии:
I вариант - в 2 л экстрагированной массы вводят 0,16 кг (8 мас.%) натрия хлористого в сухом виде с последующим перемешиванием компонентов до полного растворения натрия хлористого и выдерживанием полученной экстрагированной массы в течение 12 ч при температуре 22°C, после чего экстрагированную массу фильтруют.
II вариант - в 2 л экстрагированной массы вводят 0,2 кг (10 мас.%) натрия хлористого в сухом виде с последующим перемешиванием компонентов до полного растворения натрия хлористого и выдерживанием полученной экстрагированной массы в течение 12 ч при температуре 22°C, после чего экстрагированную массу фильтруют.
III вариант - в 2 л экстрагированной массы вводят 0,24 кг (12 мас.%) натрия хлористого в сухом виде с последующим перемешиванием компонентов до полного растворения натрия хлористого и выдерживанием полученной экстрагированной массы в течение 12 ч при температуре 22°C, после чего экстрагированную массу фильтруют.
Кроме того, как вариант-контроль - 2 л экстрагированной массы без введения в нее натрия хлористого подвергают фильтрации.
Жидкофазное биосредство, полученное в вариантах I, II, III и как контроль, хранили при температуре 3°C.
С периодичностью в 3 мес жидкофазное биосредство, приготовленное в вариантах I, II, III и в варианте-контроле, тестировали при одинаковых условиях на ряд показателей. Результаты тестирования приведены в таблицах 1-3, из которых можно сделать вывод, что состав полученного заявленным способом жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия на протяжении 6 мес не уступает составу свежеприготовленного жидкофазного биосредства.
Таблица 1
Влияние натрия хлористого (8 мас.%) на состав жидкофазного биосредства при его хранении при температуре 3°C
Тестируемые показатели
Исходные значения
Спустя 3 мес
Спустя 6 мес
Спустя 9 мес
Спустя 12 мес
Требование к значениям показателя при хранении жидкофазного биосредства
Выпол-нение требо-вания
Суммарное количество определяемой агрономически полезной микрофлоры, КОЕ/мл
16,3∗10<sup>12</sup>
<img file="00000001.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
На уровне исходного значения
±/-
Энтеробактерии, КОЕ/мл
2,2∗10<sup>5</sup>
<img file="00000005.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="11" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не больше исходного значения
+/-
pH
7,0
<img file="00000009.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000011.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не меньше исходного значения
+/+
Запах
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
Как исходное значение
+/-
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
Примечание: в числителе - заявленное жидкофазное биосредство,
в знаменателе - жидкофазное биосредство-прототип, контроль
Таблица 2
Влияние натрия хлористого (10 мас.%) на состав жидкофазного биосредства при его хранении при температуре 3°C
Тестируемые показатели
Исходные значения
Спустя 3 мес
Спустя 6 мес
Спустя 9 мес
Спустя 12 мес
Требование к значениям показателя при хранении жидкофазного биосредства
Выпол-нение требо-вания
Суммарное количество определяемой агрономически полезной микрофлоры, КОЕ/мл
16,3∗10<sup>12</sup>
<img file="00000013.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000016.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
На уровне исходного значения
+/-
Энтеробактерии, КОЕ/мл
2,2∗10<sup>5</sup>
<img file="00000017.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000018.tif" he="11" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000020.tif" he="11" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не больше исходного значения
+/-
pH
7,0
<img file="00000021.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000022.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000023.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000024.tif" he="11" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не меньше исходного значения
+/+
Запах
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
Как исходное значение
+/-
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
Примечание: в числителе - заявленное жидкофазное биосредство,
в знаменателе - жидкофазное биосредство-прототип, контроль
Таблица 3
Влияние натрия хлористого (12 мас.%) на состав жидкофазного биосредства при его хранении при температуре 3°C
Тестируемые показатели
Исходные значения
Спустя 3 мес
Спустя 6 мес
Спустя 9 мес
Спустя 12 мес
Требование к значениям показателя при хранении жидкофазного биосредства
Выпол-нение требо-вания
Суммарное количество определяемой агрономически полезной микрофлоры, КОЕ/мл
16,3∗10<sup>12</sup>
<img file="00000025.tif" he="14" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000026.tif" he="14" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000027.tif" he="14" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000028.tif" he="14" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
На уровне исходного значения
±/-
Энтеробактерии, КОЕ/мл
2,2∗10<sup>5</sup>
<img file="00000029.tif" he="14" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000030.tif" he="14" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000031.tif" he="14" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000032.tif" he="14" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не больше исходного значения
+/-
pH
7,0
<img file="00000033.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000034.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000035.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000036.tif" he="13" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не меньше исходного значения
+/+
Запах
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
без неприятного запаха
Как исходное значение
+/-
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
неприятный запах
Примечание: в числителе - заявленное жидкофазное биосредство,
в знаменателе - жидкофазное биосредство-прототип, контроль
Для подтверждения технического результата, заключающегося в увеличении времени эффективного использования жидкофазного биосредства, полученного заявленным способом, были проведены следующие опыты.
1 опыт.
В сухие пластмассовые коробки вносили по 300 г дерново-подзолистой почвы и засевали яровую пшеницу. Почву опрыскивали свежеприготовленным заявленным жидкофазным биосредством 0,3%-ной концентрации.
2 опыт.
В сухие пластмассовые коробки вносили по 300 г дерново-подзолистой почвы и засевали яровую пшеницу. Почву опрыскивали заявленным жидкофазным биосредством (0,3%-ной концентрации) после его хранения в течение 6 мес при температуре 3°С.
Все опыты от начала до конца проводили в одинаковых условиях согласно общепринятой методике. Результаты опытов приведены в таблице 4, из которой можно сделать вывод, что действительно полученное заявленным способом жидкофазное биосредство может быть успешно использовано в течение 6 мес с тем же эффектом и результатом, что и свежеприготовленное.
Таблица 4
Влияние заявленного жидкофазного биосредства на развитие яровой пшеницы и на почвенные показатели
Показатели
Заявленное жидкофазное биосредство, свежеприготовленное
Заявленное жидкофазное биосредство, спустя 6 мес хранения
Растения
Средняя масса проростков
0,54
0,56
Средняя масса корневой системы
0,79
0,81
Средняя длина проростков
26,8
26,3
Средняя длина корневой системы
10,2
10,8
Почва
Аммонифицирующие микроорганизмы, млн./г
4,06
4,11
Микроскопические грибы, тыс./г
3,4
3,1
Активность каталазы, см<sup>3 </sup>O<sub>2</sub>/г/мин
1,18
1,18
Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/г/сут
3,32
3,40
Заявленный способ получения жидкофазного биосредства для растениеводства и земледелия промышленно осуществим, а полученное данным способом жидкофазное биосредство можно использовать в растениеводстве для улучшения роста и развития растений и в земледелии для активизации почвенно-микробиологических процессов в течение 6 мес, и при этом его состав и свойства будут соответствовать первоначальным.