Реферат

Отчет содержит: 3 раздела, 98 страницы, 15 таблиц, 3 рисунка, 120 литературных источников.

Убойные цеха мясокомбинатов и животноводческих ферм являются одними из крупнейших потребителей природных водных ресурсов, из которых до 70% приходится на сточные воды — выбросы жидкостей с высокой концентрацией органических веществ, токсичных элементов, условно-патогенных и патогенных микроорганизмов.

По нашим расчетам в последние годы объем сточных вод убойных цехов и мясокомбинатов составляет более 60,0 млн. м³.

Поэтому сточные воды скотобоен могут служить серьезным источникам загрязнения водных объектов. Вместе с тем имеют высокую удобрительную ценность по содержанию элементов питания для растений и могут быть использованы для орошения после соответствующей подготовки.

В настоящее время на большинстве предприятий отсутствуют локальные очистные сооружения сточных вод убойных цехов, стоки смешиваются с хозяйственно-бытовыми сточными водами и сбрасываются в канализацию.

Цель и задачи исследований:

• • изучение объема и состава стоков скотобоен, анализ существующих способов их очистки,
  • разработка технологии эффективной очистки сточных вод скотобоен с применением аборигенной микрофлоры, интродуцированных активных штаммов,
  • разработка технологии доочистки сточных вод боен с помощью новых природных коагулянтов (МагТрит-С),
  • Изучение возможности обеззараживания стоков от патогенной микрофлоры с помощью СВЧ-излучений,
  • определение степени токсичности очищенной сточной воды для их использования на орошение кормовых культур,
  • закладка опытов по изучению влияния стоков на почвенно-поглощающий комплекс, рост, развитие, урожайность кормовых и полевых культур и их качество.

Научная новизна работы заключается в использовании новых штаммов деструкторов органических соединений, естественных антагонистов патогенных микроорганизмов, биосорбентов тяжелых металлов, в применении на этапе доочистки для осветления стоков, удаления тяжелых металлов и обеззараживания стоков новых природных коагулянтов и СВЧ –излучений.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для эффективной локальной очистки стоков скотобоен на предприятиях различной мощности и являться предпосылкой для рекомендации очищенных сточных вод скотобоен для орошения кормовых и полевых культур.

Ключевые слова: стоки скотобоен, локальные очистные сооружения, аборигенные микроорганизмы тяжелые металлы, патогенная и условно-патогенная микрофлора, земледельческие поля орошения.

Введение

В настоящее время в Российской Федерации насчитывается около 3 тысяч предприятий разного типа (мясокомбинаты, животноводческие и птицеводческие хозяйства), занимающихся убоем скота.

Убойные цеха мясокомбинатов и животноводческих ферм являются одними из крупнейших потребителей природных водных ресурсов, из которых до 70% впоследствии превращается в сточные воды — выбросы жидкостей с высокой концентрацией органических веществ, токсичных элементов, условно-патогенных и патогенных микроорганизмов [1].

Существенной особенностью сточных вод убойных цехов и мясокомбинатов является сильная загрязненность по БПК (биохимическому потреблению кислорода), ХПК (химическому потреблению кислорода), по содержанию количество белка и жира, солей натрия, тяжелых металлов, сульфатов, для них также характерна большая бактериальная обсемененность [2], [3]. Поэтому сточные воды скотобоен могут служить серьезным источникам загрязнения водных объектов. Вместе с тем сточные воды скотобоен имеют высокую удобрительную ценность по содержанию элементов питания для растений, а именно азота – более 100 мг/л, фосфора – более 30 мг/л, калия – более 70 мг/л [4].

Следовательно, изучение возможности использования сточных вод скотобоен и мясокомбинатов для орошения сельскохозяйственных культур представляет значительный интерес и является актуальным. Орошение сточными водами не должно вызывать осолонцевание почвы, угнетения роста и развития растений, снижения урожайности возделываемой культуры.

Качество сточных вод, используемых для орошения, регламентируется по химическим, бактериологическим и паразитологическим показателям. При орошении учитываются почвенно-мелиоративные условия орошаемого участка, климатические условия района.

В целом, используемые на орошение сточные воды должны отвечать агромелиоративным требованиям, предъявляемым к поливной воде [5].

При орошении полей сточными водами решается сразу несколько задач: происходит почвенная очистка сточных вод путем утилизации их питательных элементов сточных вод, тем самым предотвращается сброс сточных вод в водоисточники, почва увлажняется и тем самым повышается её плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур. Длительное регулярное орошение недостаточно очищенной сточной водой скотобоен, ведёт к ухудшению качества грунтовых вод также отмечается тенденция постепенного увеличения нитритов и нитратов в стоках, несет эпидемиологическую опасность [6].

К наиболее простым методам подготовки сточных вод для орошения относятся отстаивание, нейтрализация, длительное хранение. При неблагоприятном составе поливных сточных вод для улучшения их качества требуются специальные очистные сооружения. Качество сточных вод убойных цехов мясокомбинатов и уровень их пригодности для сельскохозяйственного использования в качестве орошения и удобрения зависит во многом от уровня и мощности очистных сооружений. В настоящее время не все мясокомбинаты и животноводческие предприятия в нашей стране могут позволить дорогостоящие очистные сооружения аппаратного типа, где сточные воды подвергаются комплексной очистке, в том числе биохимической очистке [7].

Цель и задачи исследований:

• • • изучение объема и состава стоков скотобоен, анализ существующих способов их очистки,
    • разработка технологии эффективной очистки сточных вод скотобоен с применением аборигенной микрофлоры, интродуцированных активных штаммов,
    • разработка технологии доочистки сточных вод боен с помощью новых природных коагулянтов (МагТрит-С),
    • изучение возможности обеззараживания стоков от патогенной микрофлоры с помощью СВЧ-излучений,
    • определение степени токсичности очищенной сточной воды для их использования на орошение кормовых культур,
    • закладка опытов по изучению влияния стоков на почвенно-поглощающий комплекс, рост, развитие, урожайность кормовых и полевых культур и их качество.

I Обзор литературы

1.1 Пути решения экологических проблем очистки сточных вод боен

Ежегодно на скотобойнях мира забивают более 50 миллиардов животных для употребления в пищу. В США ежегодно забивают более 100 миллионов коров, свиней и овец, а также 5 миллиардов домашних птиц. Крупнейшая скотобойня в мире принадлежит компании Smithfield Foods и располагается в штате Северная Каролина США. Она способна перерабатывать свыше 32 000 голов свиней в сутки. Крупнейшая скотобойня в Азии расположена в, пригороде Мумбаи в Индии [8].

В Росси по данным Росстата был произведено на убой хозяйствами всех категорий более 14,5 млн. тонн скота и птицы. В том числе 45% составило мясо птицы, 35% мясо говядины, 19% мясо свинины. В настоящее время в Российской Федерации насчитывается около 3 тысяч предприятий разного типа, занимающихся убоем, переработкой скота и выработкой готовой мясной продукции (мясокомбинаты, мясохладобойни и мясоперерабатывающие предприятия [9].

По итогам рейтинга 2019 года, составленного Агроинвестором», крупнейшими переработчиками мяса стали:

1.группа «Черкизово». -830 тыс. т мяса бройлера, свинины и индейки (здесь и далее — в убойном весе;

2. группа «Мираторг» — крупнейший в стране производитель свинины и говядины- 554 тыс. т мяса;

3.группа «Ресурс» — 483,7 тыс. т мяса бройлера;

4. группа «Агрокомплекс» им. Н. Ткачева. — 365 тыс. т мяса птицы и свинины;

5. Группа «Приосколье».- 339 тыс. т мяса бройлера;

6. группа «Белгранкорм» — 268 тыс. т. мясо бройлера и свинины;

7. группа «Чароен Покпанд Фудс» (входит в тайскую CP Foods) с 265 тыс. т бройлера и свинины;

8. группа «Сибирская аграрная группа» (недавно она изменила название на «Сибагро»). — 219,6 тыс. т. мяса;

9. группа «Великолукский свинокомплекс» -208,3 тыс. т свинины; 10. Группа «Русагро» — 189,5 тыс. т свинины [10].

Наиболее крупный потребитель воды — мясожировое производство. Для действующих предприятий цеховые расходы внутри этого производства распределяются следующим образом (%): убойно-разделочное отделение — 33,9 %, субпродуктовое — 17,6 %, кишечное — 17, 3 %, шкуроконсервировочное — 12,8%, вытопка пищевых жиров — около 18%. От 70 % до 90 % расходуемой воды образуют загрязненные в процессе производства сточные воды, которые имеют высокую нагрузку органическими загрязнениями [11].

Предприятия мясной промышленности расходуют на обработку 1 т мяса от 20 до 30 м³ воды и сбрасывают загрязненные сточные воды в количестве 80-90 % расхода свежей воды. Сточные воды мясокомбинатов наносят большой вред водоемам, так как содержат токсичные вещества. Растворенный в воде водоемов кислород расходуется на окисление органических загрязнений сточных вод, в результате биологическая жизнь водоемов нарушается, и в них развиваются процессы гниения. Масса загрязнений, поступающих в сточные воды от убоя и разделки крупного рогатого скота (в расчете на 1 голову), составляет около 20 кг, что эквивалентно массе загрязнений в хозяйственно-бытовых стоках от 90 человек [12].

Для сточных вод мясокомбинатов и скотобоен характерны высокие концентрации ХПК, БПК, жира и взвешенных частиц. Эти параметры являются основанием для взимания платы за сброс сточных вод. Причем в будущем ожидается увеличение платы. Поэтому предприятиям мясной промышленности необходимо снизить количество сточных вод и минимизировать нагрузку на городские очистные сооружения [13]. Требования для очистки сточных вод мясокомбинатов очень сильно зависят от размера производства и объема сточных вод (таблица 1). Тогда как маленькому заводу необходимо очистить сток от жира и взвешенных частиц, то для скотобойни обязательно дополнительно снизить очень высокую нагрузку по БПК и ХПК, вызванную присутствием крови 14].

Таблица 1

Удельные нормы водопотребления и водоотведения на предприятиях мясной промышленности (м³ на 1 т продукции)

Одним из существенных факторов, определяющих величину негативного воздействия на водные объекты, является неспособность обеспечить достаточный уровень очистки всего объема сточных вод [15]. При высоких содержаниях органических соединений технология очистки сложна, многостадийна и не существует универсальных методов, которые были бы пригодны для любого типа сточной воды. В результате тенденция снижения качества воды, забираемой на нужды орошения полей, сельскохозяйственного водоснабжения отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур и качестве растениеводческой продукции [16].

Методики, реализованные сегодня на мясокомбинатах, не разрешают серьезно снизить использование воды. Фактические расходы ресурса зависят от масштаба предприятия, его специфики, типа оборудования, интенсивности работ, потерь, которые могут достигать 15%. Способы направленного изменения качества оросительной воды могут быть различными и должны способствовать созданию условий получения качественной продукции, улучшению физических и химических свойств почвы [17].

Из существующих, нашедших наибольшее распространение, можно выделить следующие способы: механические (фильтрование, гидроциклонирование, отстаивание, смешивание), химические (фертигация, коагуляция, сорбция), физические (вымораживание,выпаривание, гелиоопреснение), магнитоэлектрические (воздействие на воду и растворенные в ней вещества физическими полями), мембранные (обратный осмос, ультрафильтрация, электродиализ), биологические и биохимические. Все они имеют как положительные, так и отрицательные моменты и могут применяться в комплексе.

1.2 Методы очистки высококонцентрированных сточных вод

Очистные сооружения для очистки стоков боен, должны быть выполнены в коррозионно-стойком исполнении, поэтому важно подобрать материалы, устойчивые в химически агрессивной среде. Для очистки сточных вод скотобоен необходимо применять самые разнообразные методы: механические, физико-химические, химические и биологические методы [18].

Механическая очистка используется для задержки крупных загрязняющих частиц путем отстаивания, процеживания, фильтрации (решетки, песколовки, фильтры, отстойники). Очистка механическим способом применяется в качестве первой стадии в общей системе очистки сточных вод. В зависимости от назначения, отстойники подразделяются на первичные (до сооружений биологической очистки) и вторичные (после этих сооружений).

Физико-химическая очистка включает разнообразные методы: коагуляция, флотация, а в последнее время широко используется ионный обмен. Эти методы, как правило, требуют использования дорогостоящих реактивов, однако используются в виду их эффективности, а иногда невозможности решить задачу очистки другим способом. Этот метод широко используют для очистки многокомпонентных промышленных сточных вод с малой концентрацией загрязнений [19].

Химическая очистка применяется, когда другие способы неэффективны и выделение загрязнений возможно только в результате химических реакций (конденсации, окисления, нейтрализации). Они требуют большого расхода реагентов и обычно используются в сочетании с другими методами. Однако в ряде случаев применение химического метода очистки является необходимым и единственным [20].

Биологическая очистка сточных вод — это очистка, с помощью микроорганизмов. Из множества известных способов очистки предпочтение отдается биологическому методу очистки [21]. Сущность биологической очистки состоит в биохимическом разрушении коллоидальных, растворенных и эмульгированных веществ в результате деятельности микроорганизмов. Биохимическая очистка может применяться только в тех случаях, когда необходимо удалить из воды органические вещества, если загрязнения воды неорганического происхождения, то биологическая очистка не имеет смысла.

Основные факторы, определяющие возможность биологической очистки сточных вод, следующие:

• способность органических веществ сточных вод биохимическим способом окисляться;

• наличие необходимых питательных веществ (азот, фосфор, калий, углерод, микроэлементы; активная реакция среды, близкая к нейтральной);

• концентрация загрязненных веществ не должна превышать установленную норму; чтобы не мешать процессу;

• в сточных водах должны отсутствовать поверхностно активные вещества (ПАВ), мешающие доступу кислорода на очистное сооружение.

Биологическую очистку сточных вод можно осуществлять естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) и в искусственно созданных условиях (аэротенки, биофильтры и другие). Анаэробные процессы можно осуществлять в метантанках — герметически закрытых резервуарах, где происходит метановое брожение [22].

Очистные сооружения по своему техническому оформлению различны, но все они рассчитаны на использование аэробного окислительного процесса, который протекает за счет кислорода воздуха, поступающего на активный субстрат. Для очистки сточных вод мясокомбинатов применяют три основных типа очистных сооружений: районные (городские), общие (заводские) и локальные (цеховые) [23].

К почвенным методам очистки сточных вод относятся поля орошения и поля фильтрации. Очистка на этих сооружениях происходит в процессе фильтрации сточных вод через почву, которые подвергаются биохимическому окислению. Окислительные процессы в почве происходят на глубине (0,2—0,3 м) интенсивного проникновения воздуха. Органический углерод окисляется до СО₂, аммонийный азот до нитритов и нитратов (NO₂, NO₃), то есть нитрифицируется. Процесс денитрификации происходит на большой глубине, вследствие недостатка или отсутствия воздуха и на окисление органических веществ расходуется кислород, освобождающийся от нитратов. При почвенных методах очистки окисление органических веществ идет в присутствии кислорода с активным участием микроорганизмов (бактерий, грибов, водорослей, простейших и беспозвоночных животных). В процессе участвуют микроорганизмы сточной жидкости и самой почвы. Основные окислительные процессы протекают в верхних слоях почвы до 40 см и этот слой наиболее обильно заселен микроорганизмами. На верхние 10 см приходится на 1 г сухой почвы до 1×10¹⁰ бактерий, на глубине 30 см до 2×10⁹, а на глубине 50 см до 1×109. Адсорбционная способность биологической пленки почвы очень велика, так как на площади в 1 м² суммарная поверхность тел для глубины 40см составляет 48000 м². Бактерии минерализуют органическое вещество, водоросли продуциру¬ют кислород, а простейшие уничтожают избыточное количество бактерий. Уничтожая старые бактерии, они тем самым создают более благоприятные условия для роста молодых, биохимически активных особей. Дождевые черви, клещи, личинки жуков рыхлят почву и тем способствуют лучшему проникновению воздуха. Кроме того, они перерабатывают трудно расщепляемые органические вещества (целлюлозу, хитин, кератин и др.) [23].

Искусственные очистные сооружения

Процессы очистки сточных вод, осуществляемые в искусственных сооружениях, Могут быть аэробными или анаэробными. Для аэробных процессов обычно применяют аэротенки и биофильтры, а для анаэробных — метантенки.

Аэробные очистные сооружения. Биофильтры впервые были внедрены для очистки сточных вод в конце прошлого века: в США (1890), в Англии (1893). Далее они получили распространение во всем мире, в том числе и в России. Биофильтрами называются очистные сооружения прямоугольной или круглой формы, заполненные слоем из крупнозернистого материала (камня, шлака, щебня и т. д.), на поверхности которого в процессе орошения стоками образуется биологическая пленка, заселенная аэробными микроорганизмами. В биофильтр сточные воды подаются после осветления их в первичных отстойниках. При фильтрации сточных вод через слой загрузки происходит адсорбция биологической пленкой коллоидальных, растворенных и тонкодисперсных веществ, оставшихся в жидкости после первичных отстойников [24].

Органическая часть загрязнений подвергается окислению (минерализации) аэробными микроорганизмами (биопленка). Кислород, необходимый для жизнедеятельности микроорганизмов, поступает в биофильтр естественным путем или искусственной вентиляцией.

Сущность процесса биологической очистки сточных вод на биофильтрах не отличается от процесса очистки почвенными методами, однако процесс биохимического окисления в биофильтрах происходит значительно интенсивнее, чем на полях орошения и фильтрации, за счет искусственно созданных наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому размеры биофильтров во много раз меньше естественных сооружений.

По конструкции и производительности биофильтры подразделяются на капельные и высоконагружаемые.

Капельные биофильтры (стандартные) применяются для полной биологической очистки сточных вод. Органические вещества в биофильтре почти полностью подвергаются биохимическому окислению. БПК_полн. очищенных сточных вод составляет 15 мг/л. Характерной особенностью этих фильтров является небольшая нагрузка на них сточных вод. Гидравлическая нагрузка на капельные биофильтры (выраженная в м3/м² поверхности фильтра) составляет 1—2 м3/м² в сутки. Обычно капельные биофильтры допускаются применять на производительность не более 1000 м³/сутки [25].

Высоконагружаемые биофильтры характеризуются высокой окислительной мощностью, которая в несколько раз больше, чем в капельных биофильтрах. Гидравлическая нагрузка также больше в 10-30 раз. Это связано с особенностями устройства высоконагружаемых биофильтров. Загрузка в них крупнее (от 40 до 60 мм) и этим увеличивается объем и размер пор в теле фильтра. Искусственная вентиляция увеличивает подачу воздуха, увеличивая тем самым интенсивность его обмена. Высокая скорость движения сточной воды в биофильтрах обеспечивает постоянный вынос задержанных трудноокисляемых и нерастворимых веществ, также отмершую биопленку.

Известно, что при очистке концентрированных сточных вод их необходимо разбавлять. Часто используют при этом очищенные стоки, содержащие адаптированные к данным загрязнениям микроорганизмы, что способствует процессу окисления органических веществ. Для очистки концентрированных сточных вод и применяются высоконагружаемые биофильтры как для частичной очистки, так и для полной [26].

Биохимические процессы разложения органических веществ в биофильтре осуществляются микроорганизмами биопленки, образующейся на зернах загрузки. Биоценозом биопленки являются бактерии, простейшие, личинки, черви, грибы, зеленые, сине-зеленые и диатомовые водоросли. В верхних слоях биофильтра разрастаются зеленые и сине-зеленые водоросли, нуждающиеся в кислороде и свете, необходимых для их развития. Ниже (от 10 до 50 см) развиваются диатомовые водоросли, которые не нуждаются в высоком содержании кислорода и света. Простейшие обита¬ют во всех слоях биопленки. Зона червей располагается в нижних ее слоях на орошаемых участках [27].

Все микроорганизмы принимают активное участие в очистке сточных вод. Бактерии минерализуют органические вещества. Простейшие питаются бактериями, водоросли продуцируют кислород, черви рыхлят биопленку и обеспечивают доступ кислорода. Кроме того, черви, питаясь органическими веществами, переваривают и разлагают ряд стойких соединений (хитин, клетчатку).

Таким образом, следует отметить, что окислительная мощность биофильтров колеблется в широких пределах, так как она зависит от многих факторов (температуры сточной воды и воздуха, состава загрязнений, нагрузки, материала загрузки фильтра, способа подачи воздуха, сроков подачи жидкости, типа сооружений). Поэтому даже на самых совершенных биофильтрах не достигается полной очистки. В очищенных стоках остаются органические вещества и микроорганизмы, поэтому необходимо стоки обеззараживать хлором или другим способом [28].

Аэротенки. Аэротенки широко начали применяться с 1914 г. В 1915 г. в Москве для очистки сточных вод начали использовать непрерывно действующие аэротенки. Аэротенки — это прямоугольные железобетонные резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом [29].

Аэротенки состоят из секций, разделенных продольны¬ми перегородками. Сточные воды непрерывно подаются в один конец длинного коридора, а очищенные воды выводят из другого конца. Подача воздуха в аэротенки производится воздухонагнетательными машинами (компрессорами, воздуходувками, вентиляторами) или механическими средствами (засасыванием воздуха из атмосферы, барботажем воздуха с помощью мешалок и т. д.)

Кислород воздуха необходим для жизнедеятельности сапрофитных микроорганизмов, а также частично подавляет развитие патогенных бактерий. Аэрация способствует большему контакту активного ила с загрязнениями сточной жидкости [30].

Действующим началом при очистке сточных вод в аэротенке является активный ил. Получение хлопка активного ила является одним из основных условий работы аэротенка. Активный ил представляет собой частицы органических веществ, населенных различными группами микроорганизмов аэробов и факультативных анаэробов. Основную часть активного ила составляют бактерии, численность которых в активных илах составляет от 10⁸—10¹² клеток на 1 г сухого вещества. Бактерии представлены α и β мезосапробными группами. Их видовой состав зависит от того, какими веществами загрязнена сточная вода. Среди бактерий есть гетеротрофы и литотрофы. В биоценозе активного ила есть бактерии родов Bacillus, Bacterium, Sarcina, Micrococcus и др. В большом количестве в иле развиваются бактерии-нитрификаторы до 3*10⁷ клеток на 1 г активного ила. В нормально работающем иле содержится небольшое количество нитчатых бактерий (сферотилюс и кладотрикс), а также встречаются дрожжи, грибы. Бактерии в процессе очистки воды образуют слизистые скопления — зооглеи, которые характерны для хорошо сформированного активного ила [31].

Микрофауна активного ила представлена разнообразными группами простейших (жгутиковыми, саркодовыми, инфузориями), коловратками, червями, малощетинковыми червями (олигохетами), реже — водными клещами, циклопами, личинками. Представители микрофауны очень чувствительны к концентрации органических веществ, количеству растворенного кислорода, наличию токсичных соединений и др., поэтому, в процессе очистки при разных режимах наблюдается преобладание различных групп простейших.

При нормальной работе аэротенка устанавливается равновесие между микрофлорой и микрофауной, нарушение которого свидетельствует об ухудшении работы очистного сооружения.

Скорость осаждения хлопка активного ила зависит от его плотности, обусловленной составом микрофлоры. Мелкие микроорганизмы образуют плотный быстрооседающий активный ил, а длинные нитчатые и разветвленные организмы создают рыхлый плохо оседающий ил.

Причинами, нарушающими работу аэротенка, являются перегрузка очистного сооружения органическими веществами, образование анаэробных зон, недостаток биогенных элементов, резкое изменение температуры, реакции среды, присутствие в воде токсических веществ.

Активный ил имеет следующий химический состав: зола -1 5,58 %; фосфорный ангидрид (Р²O⁵) 2,14%; азот органический 3,615; сырой жир 2,51%; жирные кислоты 0,39% [32].

Аэротенк может работать круглый год, так как даже при низкой температуре протекает процесс минерализации органических веществ, однако в зимнее время процессы нитрификации замедляются. В очищенной воде наблюдается резкое снижение количества бактерий по сравнению с исходной водой (например, кишечной палочки на 98 % от начального количества). Снижение бактерий происходит за счет адсорбции их активным илом, поеданием фауной и растворением бактериофагом. Однако аэротенк не может обеспечить полную очистку воды от патогенных микроорганизмов, поэтому перед выпуском ее необходимо обеззараживать.

Анаэробные очистные сооружения.

Анаэробная обработка сточных вод находит все более широкое применение. Комплексная очистка стоков, содержащих растворимые и трудно растворимые органические вещества, обеспечивается специальными процессами [33].

Одним из методов обработки осадков сточных вод является метод метанового брожения. Брожением называется процесс ферментативного преобразования сложных органических веществ в простые.

Сбраживание осадка сточных вод ведется в анаэробных условиях, в которых органические вещества под действием различных микроорганизмов, проходя через большое число промежуточных продуктов, разлагаются до углекислоты и метана, который является конечным продуктом, потому и сам процесс называется метановым брожением. На очистных сооружениях образуется большое количество осадков. При биологической очистке на биофильтрах появляется биопленка, в аэротенках — избыточный активный ил, а также осадок в первичных отстойниках. Анаэробная обработка осадков является наиболее эффективным приемом для предотвращения их загнивания, улучшения структуры, уменьшения объема и обезвоживания [34].

В составе осадков бытовых сточных вод содержится до 80 % органических веществ, в производственных он может колебаться от 65 до 85 %. Органическая часть осадка состоит на 80 % из углеводов, жиров, белков и на 20 % — гумуса [35].

Метановое брожение сточных вод может происходить в мезофильных условиях, если температура бродящей массы не превышает 35 °С, или в термофильных условиях, если температура поддерживается в пределах 45 — 65 °С с помощью термофильных и мезофильных бактерий.

Двухъярусный отстойник. Осаждение осадка в отстойнике происходит в отстойных лотках через продольную щель на дне, где накапливается слоем до 7 м. В иловой жидкости содержится большая концентрация гидрокарбоната аммония, что обусловливает ее высокую буферность. Поэтому рН иловой жидкости лежит в пределах 6,5-7,8. В составе газов отсутствует сероводород, и сброженный осадок не обладает плохим запахом из-за лучшего перемешивания и частичной смены воды во время выпуска зрелого осадка [36].

Метантенки — это сооружения с оптимальными условиями для анаэробного разложения органических веществ осадка сточных вод. Метантенки разнообразны по форме и размерам. Главное в них — температура бродящего осадка, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки свежего осадка и тщательное перемешивание. Общий вид метантенков показан на рисунке 1 [37].

Сброженный осадок имеет высокую влажность (около 97 %), и поэтому должен подсушиваться, прежде чем может быть использован как удобрение. Сброженный осадок подсушивается двумя методами: 1) сушка на иловых площадках (прудах); 2) механическое обезвоживание с последующей термической сушкой.

Иловые площадки площадью в несколько га находятся па расстоянии 20—40 км от территории очистных сооружений вблизи полей колхозов и совхозов, использующих осадок в качестве удобрения. Осадок на иловые площадки подается системой илопроводов и иловых насосных станции. Процесс сушки на площадках определяется естественными условиями и продолжается около двух лет. За это время влажность осадка уменьшается до 78—80 % [38].

Рисунок 1 Общий вид метантенков.

Метантенк подогревается водой или паром. Вода циркулирует по трубам, а пар вводится прямо в бродящий осадок. Перемешивание проводят механическими или гидравлическими насосами, при этом выделяется в большом количестве газ. Сброженный осадок в метантенке обильно заселен микроорганизмами, адаптированными к данному загрязнению.

При термофильном брожении происходит отмирание патогенных бактерий и яиц гельминтов. Кроме того, в метантенках образуется газ метан и углекислота, которые можно использовать — метан как топливо, а двуокись углерода для получения сухого льда [39]. Осадок богат минеральными и органическими веществами (азотом, фосфором, калием и др.), поэтому его можно широко использовать как удобрение или в брикетах как топливо, если нет в этих осадках солей тяжелых металлов [40].

Таким образом, резюмировав сказанное, можно отметить, что наибольшее распространение для обработки стоков скотобоен имеет метод анаэробного сбраживания. Затем следуют способы обработки стоков скотобоен методом флотации и на сооружениях искусственной биологической очистки (аэротенки, биофильтры); комбинированные способы, где имеется сочетание механической, химической и биологической видов обработки стоков скотобойни, также имеют распространение, но уже меньше, чем первые три. И, наконец, меньше всего применяются естественные способы и обработка стоков анаэробно — аэробным путем [41]. Количественные соотношения всех используемых, по литературным данным, способов для очистки стоков скотобоен представлены в таблице 2.

Таблица 2

Частота применения технологий при обработке стоков скотобойни

Анаэробное сбраживание наиболее выгодно с точки зрения охраны окружающей среды, не загрязняет её; однако технологический процесс и оборудование, в котором это сбраживание происходит, требуют весьма тщательного подхода и контроля, в противном случае могут происходить взрывы установки. Строительство и эксплуатация данного вида сооружений обходится недешево [42]. Поэтому, исходя из этих изученных материалов, при выборе метода очистки и обеззараживания сточных вод большинство хозяйств останавливаются на обработке их в биопрудах с последующей утилизацией на полях орошения [43].

1.3 Перспективы использования биосорбции тяжелых металлов в очистке сточных вод скотобоен

Сорбция ионов металлов микробной биомассой является одним из возможных методов детоксикации сточных вод. В качестве сырья для получения биосорбентов используют биомассу чистых культур некоторых видов дрожжей, бактерий и мицелиальных грибов. Тяжелые металлы (ТМ) – это группа химических элементов с высокой плотностью и атомной массой более 50, которая включает все металлы, за исключением щелочных и щелочноземельных элементов [44]. Попадая со сточными водами в окружающую среду, ТМ оказывают токсическое воздействие на флору и фауну, тем самым снижают биоразнообразие и продуктивность экосистем. Согласно данным ВОЗ ТМ занимают второе место после пестицидов по степени опасности для здоровья человека, поскольку обладая способностью концентрироваться при движении по трофической цепи, могут стать причиной тяжелых заболеваний человека [45]. Сточные воды, содержащие от 1 до 10 мг/л тяжелых металлов во взвешенной, коллоидной, растворенной и нерастворенной формах, при поступлении на биологические очистные сооружения, неблагоприятно воздействуют на нормальное функционирование и жизнеспособность активного ила. Некоторые из солей тяжелых металлов, например, меди и цинка, трехвалентного хрома в щелочной среде выпадают в осадок; другие, гидролизуясь, значительно подкисляют сточные воды. Как правило, тяжелые металлы и их соли действуют на активный ил как токсиканты уже через 4-20 часов после накопления их активным илом, тем самым нарушают проницаемость мембран, вызывают денатурацию ферментов у микроорганизмов сообщества активного ила, что приводит к выводу из строя работы очистных сооружений [46]. Поэтому содержание металлов в сточных водах, поступающих на биологическую очистку, нормируется. Максимальные концентрации металлов, поступающих на сооружения биологической очистки не должны превышать следующих концентраций (мг/дм³): Fe³⁺ — 5,0; Mn²⁺ — 30,0; Cu²⁺— 0,5; Pb²⁺ — 0,1; Cr ³⁺ — 2,5; Cr ⁶⁺ — 0,1; Zn²⁺— 1,0; Sn²⁺— 10,0 [47]. Поэтому извлечение тяжелых металлов на локальных очистных сооружениях промышленных предприятий необходимо осуществлять с учетом разбавления в канализационных сетях до концентраций, указанных в рекомендациях. Часть тяжелых металлов образует комплексные соединения с органическими веществами, присутствующими в сточных водах, и те методы, которые используются контролирующими организациями, часто дают заниженные значения [48]. Степень токсичности того или иного металла может изменяться в зависимости от вида организма, от концентрации в объектах окружающей среды и от того, присутствуют ли эти элементы в растворе в виде свободного иона, недиссоциированной соли, либо входят в состав органических или неорганических комплексных соединений. Недиссоциированные соли и ионы, образующие комплексы, обычно менее токсичны, чем свободные ионы в тех же концентрациях. При оценке влияния металла на организмы важно учитывать также их валентность. [49]. Для удаления тяжелых металлов из сточных вод промышленных предприятий предложен целый ряд химических и физико-химических методов: гравитационное осаждение, флотация, фильтрация, адсорбция, обратный осмос, электродиализ, дистилляция и химическое осаждение. Все эти способы не обеспечивают очистку больших объемов воды или дороги, поэтому экономически невыгодны. Химические способы, например, не годятся для очистки вод с очень низкими концентрациями ионов металлов и вызывают вторичное загрязнение остатками вносимых в воду реагентов [50]. В последние десятилетия внимание исследователей привлек процесс накопления тяжелых металлов биомассой микроорганизмов. Методы биосорбции основаны на способности многих бактерий, микроскопических грибов, водорослей, простейших аккумулировать тяжелые металлы в количествах, намного превышающих их физиологические потребности [51]. Механизмы накопления металлов микроорганизмами разнообразны — от биосорбции до энергозависимого транспорта с участием мембранных переносчиков ионов с последующей внутриклеточной компартментализацией и внеклеточным осаждением. Адсорбция положительно заряженных металлов на поверхности микробных клеток, как полагают, зависит от физиологических особенностей микроорганизмов, наличия карбоксильных, гидроксильных, сульфгидрильных, сульфатных, фосфатных, аминогрупп, липополисахаридов, хелатных соединений клеточной стенки – сидерофоров. [52]. Набор сорбируемых ионов чрезвычайно широк, сорбционная способность очень высока, в связи с чем можно рассматривать эти организмы как эффективные и дешевые сорбенты для очистки промышленных сточных вод [53].

Металлы сорбируются как живыми, так и мертвыми клетками микроорганизмов, при этом мертвая биомасса обладает большей сорбционной способностью, что позволило многим авторам использовать это явление в ряде технологических процессов [54]. Проведенные исследования по изучению сорбции живым и мёртвым илом ионов меди, свинца, в зависимости от времени контакта биомассы активного ила и концентрации металлов. Результаты показали, что при небольшой биомассе 1,45 мг/л, до 60% металлов сорбировалось в течение 1 часа. При увеличении биомассы до 2,7г/л основная часть металла сорбировалась в первые 20 минут. Существенно повысить биосорбционную способность ила, ускорить процесс сорбции металлов, можно, используя гранулированный либо термически обработанный ил. [55]. Микробные гранулы или биопленки, в виде микрочастиц, растущие в аэробных условиях, являются самоиммобилизированными агрегатами бактерий, которые имеют компактную структуру, повышенную способность к осаждению и могут продолжительно функционировать в системе очистки сточных вод. Гранулированный активный ил по сравнению с флоккулированным является более структурированным сообществом микроорганизмов. Агрегация микробных клеток в компактные гранулы служит эффективной защитой от токсических веществ [56]. Добавление к активному илу компонентов, адсорбирующих металлы, уменьшает вредное влияние поступающих в высоких концентрациях металлов. Внеклеточные полимерные вещества, доминируя в активном иле, могут составлять до 80% его массы. Показано, что они играют важную роль для связывания тяжелых металлов [57].

Повышение эффективности мер по охране окружающей среды связано, прежде всего, с широким внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологических процессов, уменьшением загрязнения окружающей среды. При работе предприятий пивоваренной, спиртовой, молочной промышленности, производства ферментов, белковых препаратов, витаминов, стимуляторов роста и развития растений, антибиотиков и других ценных продуктов микробиологического синтеза, происходит образование специфического отхода производства – биомассы микроорганизма – продуцента, основная часть которой не утилизируется и попадает на очистные сооружения. Биомасса представляет собой частично разрушенные, а частично живые клетки микроорганизмов и содержит в основном биополимеры (около 50% массы сухого вещества составляют белки, 10 – 20% — компоненты клеточной стенки, в том числе полиаминосахариды, 10 – 20% — РНК, 3 – 4% — ДНК и приблизительно 10% — липиды). Кроме того, любая биомасса содержит компоненты питательной среды и остаточные количества целевого продукта [58].

В способе очистки сточных вод от ионов меди (II), серебра и хрома (III), присутствующих в концентрациях 3-60 мг/л, 40-195 мг/л и 10 мг/л соответственно в сточную воду вводился 3-60 мг/л фильтр-картона с иммобилизированным штаммом дрожжей Saccharomyces carlsbergensis. Параллельно ставился контрольный опыт с «чистым картоном», не использованным в производстве. Отходы производства пивоваренной промышленности, содержащие фильтр-картон с иммобилизированным штаммом дрожжей Saccharomyces carlsbergensis, сорбировали металлы из сточной воды от ионов меди за 3-4 часа контакта на 99,8 — 100%, от ионов серебра за 2- 4 часа контакта на 99 — 100%, от ионов хрома за 94 часа на 95%. Отходы производства значительно быстрее и полнее сорбировали ионы металлов, чем «чистый» картон [59].

Исследовалась сорбционная способность трех штаммов дрожжей Saccharomyces cerevisiae, сухих дрожжей и биосорбентов на их основе (активированный хитин–глюкановый комплекс) на модельных средах, содержащих соли (хлориды и сульфаты) меди (40,0 мг/дм³), никеля(100,0 мг/дм³) и цинка 20,0 мг/дм³. Установлено, что уже через 24 часа при температуре 29°C концентрация тяжелых металлов в модельных средах с живыми штаммами дрожжей снижалась до следующих значений: меди — 2,7 мг/дм³; 3,2 мг/дм³ и 5,4 мг/дм³), никеля (5,3 мг/дм³, 11,5 мг/дм³ и 15,0 мг/дм³) и цинка (0,04 мг/дм3, 2,2 мг/дм³ и 0,60 мг/дм³), то есть биосорбция обеспечивала очистку воды на 65,2% — 99,6% [60]. При этом наименьшая сорбционная способность наблюдалась у хитин-глюканового комплекса и сухих дрожжей, и концентрация тяжелых металлов снижалась до следующих значений: медь (11,2 мг/дм³ и 11,9 мг/дм³), никель (32 мг/дм³ и 34 мг/дм³) и цинк (7,2 мг/дм³ и 7,7 мг/дм³). Об этом свидетельствует также сопоставление значения по эффективности сорбции тяжелых металлов. Как показано в таблице 2 эффективность сорбции тяжелых металлов живыми клетками дрожжей составляет живыми дрожжами составляет 81- 99,7 % [ 61].

После использования сорбентов возможно извлечение сорбированных веществ десорбцией либо утилизацией путём озоления (зольность сорбентов составляет 1.5 – 30% мас.) [62].

1.4 Использование сточных вод боен для орошения полей

При орошении полей сточными водами решается одновременно несколько задач: происходит почвенная очистка сточных вод, предотвращается сброс сточных вод в водоисточники, увлажняется почва и утилизируются питательные элементы сточных вод, что повышает плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. В то же время в орошаемом земледелии критерием пригодности очищенных сточных вод является их химический состав, удобрительная ценность, санитарно-бактериологическая безопасность. Под воздействием применяемой для орошения сельскохозяйственных полей некачественной воды происходит ухудшение их мелиоративного состояния, снижение плодородия почв и, как следствие, что отражается на урожайности и качестве растениеводческой продукции [63]. Орошение сточными водами не должно вызывать засоления, осолонцевания почвы, угнетения роста и развития растений, не представлять санитарно-эпидемиологическую опасность. При сельскохозяйственном использовании сточные воды должны способствовать сохранению и повышению плодородия почвы, получению продукции высокого качества. Сточные воды, образующиеся при забое крупного рогатого скота, свиней или птицы, содержат высокое содержание трудноразлагаемых органических веществ, тяжелые металлы, сульфаты, соли натрия, патогенную микрофлору и яйца гельминтов и являются одними из крупнейших источников загрязнения окружающей среды [64]. Длительное регулярное орошение недостаточно очищенной сточной водой скотобоен, богатых различными химическими соединениями ведёт к ухудшению качества грунтовых вод за счёт накопления различных форм азота – основного загрязняющего вещества – выше нормативных величин в несколько раз [65]. Также отмечается тенденция постепенного увеличения нитритов и нитратов в стоках [66]. Сточные воды мясокомбинатов могут содержать патогенные микроорганизмы и гельминты, представлять эпидемиологическую опасность. Поэтому производственные сточные воды мясокомбинатов должны пройти обязательную подготовку на локальных сооружениях и могут быть дочищены на полях орошения или фильтрации только в случае, если их состав идентичен бытовым стокам и не содержит токсичных и ядовитых веществ [67], [68].

Земледельческие поля орошения (ЗПО) — вид очистных сооружений, основанных на очищающих свойствах почвы и почвенной микрофлоры, воздействии солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Поля орошения -это специально подготовленные для биологической очистки участки земли, с одновременным использованием очищенной воды для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур. Если поля предназначаются только для биологической очистки без выращивания на них сельскохозяйственных культур, то они носят название полей фильтрации [69]. В условиях современного хозяйства применение полей орошения позволяет решать комплексные проблемы благоустройства городов и развития пригородного сельского хозяйства как базы снабжения населения городов овощами.

Различают следующие типы полей орошения.

1. Коммунальные поля, задачей которых является очистка сточных вод, а использование их для сельского хозяйства играет вспомогательную роль.

2. Земледельческие поля орошения, служащие для полной биологической очистки сточных вод, а также для увлажнения и удобрения сельскохозяйственных земель.

3. Поля орошения летнего типа, при которых орошение земель производится только летом в вегетационный период развития растений. Главная задача таких полей состоит в выращивании сельскохозяйственных культур, для развития которых, земли увлажняются и удобряются сточными водами. Очистка сточных вод не представляет собой основную задачу [70]. На полях орошения выращиваются различные сельскохозяйственные культуры, а также декоративные и плодовые деревья.

Сущность процесса биологической очистки сточных вод на полях состоит в том, что сточная вода, проходя через фильтрующий слой земли, теряет взвешенные и коллоидные вещества, которые образуют на частицах грунта пленку, густозаселенную микроорганизмами. На этой пленке собираются растворенные и коллоидные вещества органического происхождения, которые в присутствии кислорода воздуха, проникающего через поры грунта, окисляются микроорганизмами, превращаясь в минеральные соединения. Для устройства коммунальных полей орошения выбираются земельные участки со спокойным рельефом местности. Лучшими для устройства полей являются песчаные и супесчаные грунты. На поля подается предварительно осветленная сточная жидкость. Расчет коммунальных полей орошения и полей фильтрации производят по так называемой норме нагрузки, под которой понимают количе¬ство стачных вод, очищаемых на 1 га площади полей [71].

Для вычисления полной площади полей орошения учитывают резервную площадь и площадь, необходимую для устройства валиков, дорог, осушительной сети и вспомогательных сооружений.

Резервные участки необходимы потому, что в определенное время года (например, весной во время подготовки земли к посеву) напуск сточных вод на поля орошения не допускается [72].

Сточные воды, направленные на поля орошения без предварительной подготовки, приводят к заиливанию и закупорке пор почвы взвешенными и другими веществами, что затрудняет или вовсе прекращает доступ воздуха в почву и нарушает процесс минерализации органических загрязнений сточных вод [73]. Поэтому сточные воды необходимо вначале направлять в отстойники для осветления и осаждения взвешенных веществ, а также для освобождения от гельминтов, которые выпадают вместе с осадком на дно отстойников [74]. В течение 1—2 ч отстаивания сточные воды можно освободить от гельминтов на 75—95 %. Яйца червей обладают высокой выживаемостью. Они могут жить в почве на глубине 2 см около 1,5 лет. На полях орошения запрещается по санитарным правилам производить и поливать культуры, которые в сыром виде могут употреблять в пищу (морковь, редис, лук, салаты, петрушка и др.). Персонал, имеющий отношение к полям орошения, подвергается систематически профилактическому осмотру и прививкам от инфекционных болезней [75].

Поля фильтрации, как и поля орошения, предназначены для очистки сточных вод только без выращивания на них растений или сельскохозяйственных культур. Основным назначением полей фильтрации является только очи¬стка сточных вод, поэтому нагрузка на них гораздо большая, чем на полях орошения. Сточные воды подаются в специальные борозды, где и происходит их очистка. Для полей фильтрации выбирают на пригодные почвы, обладающие хорошей проницаемостью и фильтрационной способностью. Наиболее благоприятными являются песчаные почвы, а непригодными торфяные и глинистые, а также солончаки. Отсутствие активного слоя почвы и ризосферой микрофлоры неблагоприятно влияет на интенсивность разрушения органических загрязнений. Поэтому как метод очистки, особенно промышленных сточных вод, поля фильтрации имеют ограниченное значение. Они используются только как резервные территории на ЗПО при временном прекращении полива [76].

Санитарно-защитные зоны между населенными пунктами и полями зависят от количества сточных вод в сутки, направляемых на поля.

Поля фильтрации Поля орошения

От 0,2 до 5 тыс. м³ — 300 м 200 м

От 5 до 50 тыс. м³ — 500 м 400 м

От 50 до 500 тыс. м³ —1000 м 1000 м

Поля орошения и поля фильтрации необходимо располагать так, чтобы избежать загрязнения сточными водами грунтовых вод, служащих источником водоснабжения. Такие показатели, как биологическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (ХПК), запах, цветность, прозрачность, содержание кислорода, не лимитируют использование сточных вод на орошение.

Сложность оценки пригодности сточных вод для орошения обусловливается не только разнообразием химического состава, но и тем, что одни и те же виды сточных вод находятся в разных почвенно-климатических зонах.

При расчете годовых норм внесения сточных вод в почву учитываются лимитирующие факторы (содержание токсичных солей, опасность осолонцевания и др.) содержание биофильных элементов в почве и применяемых водах и потребности растений в питании. М.Ф. Будановым разработаны следующие требования к поливным водам: воды с минерализацией 1000 мг/л применяют для орошения, если соотношение Na : Ca (мгэкв/л) будет больше 1, а соотношение Na : Ca : Mg – не больше 0,7.

Для приведения сточных вод в соответствие с требованиями необходимы разбавление их чистой водой. В зонах с преобладанием дерново-подзолистых почв пригодность оросительных сточных вод определяется менее жесткими требованиями, чем в южных районах страны, где распространены черноземы и каштановые почвы.

В южных районах почвообразовательный процесс легко направляется на развитие засоления и осолонцевания почв.

При отсутствии ограничивающих факторов нормы использования сточных вод для удобрения сельскохозяйственных культур лимитируются по содержанию в них азота, особенно на почвах легкого механического состава. Образующиеся нитраты могут мигрировать в нижние горизонты почв, загрязняя грунтовые воды. Максимальная доза не должна превышать 200 кг общего азота [77].

Во время вегетации культур в условиях недостаточного увлажнения, сточные воды не должны содержать азот: более 750 мг/л при применении под многолетние травы второго года вегетации; 500 мг/л для трав первого года вегетации и однолетних трав без бобовых; 400 мг/л под кукурузу и колосовые; 250 мг/л под свеклу и подсолнечник [78].

На орошаемых сточными водами землях следует выращивать кормовые, технические, зерновые культуры на фураж, а также древесно-кустарниковые насаждения. Культивирование на полях орошения овощей, ягод, фруктов, а также бахчевых культур запрещается.

Набор культур, как правило, должен состоять из многолетних трав и других интенсивных культур (кукуруза на силос и зерно, подсолнечник, соя, корнеплоды, однолетние травы). В качестве основной культуры возделывают многолетние травы на сено, травяную муку, сенаж или на выпас [79].

Регулярные удобрительные поливы обеспечивают быстрый рост трав и дают возможность получать по три-четыре укоса в течение вегетационного периода.

Севообороты при орошении сточными водами должны отвечать агрономическим, санитарно-гигиеническим и хозяйственным требованиям. При их построении учитывают химический состав и удобрительную ценность сточных вод. При орошении сточными водами средней и низкой удобрительной ценности необходимо дополнительное внесение удобрений. Количество основных питательных элементов определяется выносом их с урожаем. Используют удобрения при орошении сточными водами дифференцированно, с учетом почвенно-климатических условий и вида возделываемой культуры [80].

Азотные удобрения целесообразно вносить дробно с поливной водой, используя для этого баки дождевальных машин. Фосфорные удобрения применяют не более 1-2 раз за вегетацию (весной и осенью) путем поверхностного рассева туковыми сеялками. Калийные удобрения также вносят дробно – весной , летом и осенью.

Кислые почвы известкуют из расчета 4-5 т/га извести через каждые 2-3 года.

Внесение органических удобрений в виде навоза, торфонавозных компостов, торфа резко повышает эффективность использования сточных вод, особенно на участках, где в результате мелиоративных и культурно-технических работ значительно снижена мощность гумусового горизонта.

При орошении сточными водами убойных цехов особенно важны уход за посевами, введение севооборотов и повышение культуры земледелия. Важны своевременные сроки уборки урожая. При уборке важны соблюдения карантинных сроков, который составляет от 7 до 21 дня со дня последнего полива, соблюдение санитарно-гигиенических правил, исключающих возможность загрязнения продукции и заражения рабочих, занятых на уборочных работах. Запаздывание с уборкой и растягивание сроков вызывает потери урожая и ухудшение его качества, поэтому уборка должна проводиться своевременно и быстро. Ответственность за выполнение санитарных требований при использовании сточных вод на полях орошения несут руководители хозяйств, в ведении которых- они находятся. Плановое обследование полей орошения проводят органы и учреждения санитарно-эпидемиологической службы, не менее трех раз в год [81].

II Материал и методы исследований

2.1. Объекты исследований

-служили выделенные селекционным путем накопительные и чистые культуры микроорганизмов, выделенные из загрязненных стоками убойного цеха свинооткормочного комплекса хозяйства ООО «СГЦ» Вишневский» Сакмарского района Оренбургской области. Штамм микроскопического гриба Hypomyces odoratus 94/77, хранится в ВКПМ под коллекционным номером F-242 как продуцент комплекса протеолитических ферментов и антибиотически активного препарата антибактериального и фунгицидного спектра действия [82].

2.2 Выделение чистых культур, изучение морфологических, культуральных и биохимических свойств. Идентификация микроорганизмов.

Для получения изолированных колоний использовали метод последовательных разведений, для этого стерильную водопроводную воду разливали стерильной пипеткой по 9 мл в стерильные пробирки. Затем переносили стерильной пипеткой 1 мл исследуемого материала в пробирку с 9 мл стерильной водопроводной воды. Если исследуемый материал (почва) уже был разведен в 100 раз, получали разведение 1:10³. Суспензию этого разведения тщательно перемешивали с помощью новой стерильной пипетки, вбирая в пипетку и выпуская из нее полученную взвесь. Эту процедуру повторяли 3-5 раз, что обеспечивало перемешивание суспензии и уменьшало адсорбцию клеток на стенках пипетки. Затем этой же пипеткой взяли 1 мл полученного разведения и перенесли его во вторую пробирку – это разведение 1:10⁴. Аналогичным способом готовили и последующие разведения.

Выделение накопительных культур микроорганизмов получали рассевом разведений накопительных культур на чашках Петри с элективными агаризованными средами [83], где в качестве источника углерода использовали 1% свиного навоза или 1% птичьего помета. В качестве исходной суспензии использовали 1 мл накопительной культуры в 100 мл стерильной среды. Далее наносили 0.1 мл разведенной культуры на поверхность среды в чашках Петри и затем равномерно распределяли шпателем по чашке, стараясь покрыть всю ее поверхность. Чашку закрывали крышкой, на крышке делали надпись, характеризующую данное испытание. Далее чашку не помещали в термостат, где выдерживали для инкубирования микроорганизмов при температуре 26-28^оС в течение 3 и 7 суток. Для каждого разведения микроорганизмов проводили три параллельных посева и инкубирования. После окончания инкубирования чашки вынимали из термостата и помещали вверх дном для счета колоний визуально. По числу колоний, выросших на среде трех чашек для одного разведения, рассчитывали среднее арифметическое значение, которое принимали как основную исходную величину для дальнейшего расчета. Число колоний, выросших на среде каждой из трех чашек не должно отличаться от среднего арифметического значения более чем на 10% относительных, рассчитанных и округленных до целого числа.

Чистые культуры получали рассевом разведений накопительных культур. В качестве исходной суспензии использовали 1 мл накопительной культуры в 100 мл стерильной среды. Далее наносили 0.1 мл разведенной культуры на поверхность среды в чашках Петри и затем равномерно распределяли шпателем по чашке, стараясь покрыть всю ее поверхность. Далее чашку не переворачивая помещали в термостат, где выдерживали для инкубирования микроорганизмов при температуре 26-28оС в течение 3 и 7 суток.

Для каждого разведения микроорганизмов проводили три параллельных посева и инкубирования. После окончания инкубирования чашки вынимали из термостата и помещали вверх дном для счета колоний визуально. По числу колоний, выросших на среде трех чашек для одного разведения, рассчитывали среднее арифметическое значение, которое принимали как основную исходную величину для дальнейшего расчета. Число колоний, выросших на среде каждой из трех чашек не должно отличаться от среднего арифметического значения более чем на 10% относительных, рассчитанных и округленных до целого числа.

Микроскопированием определили морфологические особенности микроорганизмов. При изучении морфологии бактерий учитывали: форму клеток (кокк, палочка и т.д.); характер взаимного расположения; размеры клеток; наличие спор; капсул; подвижность; окраска по Граму [84].

Изучение культуральных свойств проводили по характеру роста на плотных и жидких питательных средах. Описание поверхностных колоний, выросших на плотных питательных средах проводили по следующим признакам:

а) форма колонии (округлая, неправильная, ризоидной и т.д.);

б) поверхность колоний (гладкая, бугристая, морщинистая, блестящая; в) профиль (плоский, выпуклый, кратерообразный и т.д.);

г) цвет колонии;

д) размер (диаметр) колонии измеряется с помощью линейки;

е) край колонии (ровный, волнистый, зубчатый, бахромчатый);

ж) структура (мелко-, крупнозернистая, однородная);

з) консистенция (мягкая, плотная, слизистая, тягучая).

При росте культуры на скошенном агаре:

а) рост (пышный, скудный, умеренный);

б) характер налета колонии (сплошной, диффузный);

в) характер края штриха (ровный, волнистый);

г) поверхность штриха (блестящая, матовая, мучнистая);

д) профиль штриха (плоский, выпуклый);

е) консистенция культуры (сочная, сухая, слизистая);

ж) оптические признаки штриха (прозрачная, полупрозрачная, непрозрачная);

з) цвет налета и изменение окраски среды.

При росте культуры на жидких средах:

а) интенсивность роста;

б) характер (муть, осадок, пленка);

в) мутность среды и степень мутности;

г) характер осадка;

д) характер пленки (гладкая, сухая, морщинистая, плотная);

е) появление запаха и изменение цвета среды.

Изучение биохимических свойств проводили с учетом способности ферментации углеводов на цветных средах Гисса, восстановления нитратов, характера роста на желатине.

Для определения ферментации углеводов готовили среды Гисса: к 100 мл дистиллированной воды прибавляли 1 г пептона и 0,5 г NаС1. Растворяли при нагревании воды в течение нескольких минут, фильтровали через бумажный фильтр до совершенно прозрачного раствора, устанавливали рН 7,0-7,4, потом прибавляли 0,5-1,0 г одного из углеводов и индикатор Андреде в количестве 1 мл на 100 мл среды. Готовую среду разливали по 3 мл в пробирки, стерилизовали вместе с поплавками, расположенными запаянным концом вверх текучим паром три дня подряд по 30 минут, при 112 °С. Среды Гисса имеют соломенно-зеленый цвет (рН 7,0-7,2). В результате роста бактерий, сопровождающегося расщеплением углеводов с образованием кислых продуктов распада, цвет среды меняется. Образование газа в среде определяли по наличию пузырьков в поплавке.

Для выяснения способности восстанавливать нитраты делали посев в МПБ с 0,1% нитратом калия. Через несколько дней определяли наличие нитратов реактивом Гисса и наличие аммиака – реактивом Несслера. При малом содержании аммиака окраска желтая, при значительном оранжево-желтая, при большом – красно-бурая. Для определения нитратов реактив Гисса употребляли в сухом виде. На каплю, культуры скальпелем насыпали немного реактива. Окраска менялась до густо-малинового цвета сразу при большом количестве нитратов и постепенно – при малых количествах.

Определение сероводорода проводили на плотной среде следующего состава: к 1 л стерильного 1,7—2 %-ного МПА добавляли сернокислое железо (FeSO₄) — 0,2, гипосульфит (тиосульфат Na₂S₂O₃) натрия — 0,3, глюкозу — 1 г, индикатор фенолрот водный 0,3 % — 12 мл. Среду разливали в стерильные пробирки по 5-6 мл, стерилизовали текучим паром 20 мин. Перед употреблением среду расплавляли и охлаждали в наклонном положении пробирки. Посев делали на скошенную поверхность агар-агара, а затем уколом в нижнюю часть столбика среды. При наличии сероводорода под действием растущей бактериальной культуры столбик среды краснеет, нижняя часть окрашивается в черный цвет.

Протеолитическую способность – на желатиновой среде. Делали посев уколом в столбик МПЖ, после чего пробирки инкубировали в термостате, при температуре 28-30 °С. На другой день помещали пробирки на 60 минут в холодильник и отмечали наличие разжижения и его характер:1) равномерное, начиная с поверхности (строгие аэробы); 2) кратеровидное, воронковидное, реповидное (менее строгие аэробы); 3) мешковидное (факультативное, анаэробы); 4) пузыревидный рост в глубине среды (строгие анаэробы). Использование органических соединений азота. Индол устанавливали с помощью реактива Эрлиха: в пробирку с 5 мл 2-3-суточной бульонной культуры бактерий добавляли 2 мл эфира, содержимое встряхивали и дали отстояться. Затем под слой эфира пастеровской пипеткой подслаивали 0,5-1 мл реактива Эрлиха. При наличии индола в течение 3-5 мин на границе между эфиром и бульонной культурой образовывался интенсивно-розовое кольцо [85].

Молекулярно-биохимическую идентификацию штаммов микроорганизмов проводили с использованием полимеразной цепной реакции по видоспецифическому гену штамм. Выделение ДНК и ПЦР анализ проводили согласно [86]. Построение древа родства Ribosomal Database Project II [87] .

Выращивание отобранных чистых культур аборигенных микроорганизмов проводили в режиме накопительной биомассы с применением проточной системы культивирования, работающей в режиме хемостата [88], также методом твердофазного культивирования [89], [90].

2.3 Использование специальных штаммов-деструктов.

Выращивание штамма проводили на сточной воде убойного цеха свинооткормочного комплекса в ферментерах мешалочного типа емкостью 10 л с подачей воздуха с подачей воздуха 0,2 — 0,4 л/л в мин., при перемешивании 300 об/мин. в течение 48 — 72 часов при температуре 30⁰ С.

2.4 Определение физиологически активных соединений, образуемых наиболее активными штаммами в лабораторных условиях

Амилолитическую, липолитическую и протеолитическую активности определяли согласно [91], [92]. Активность протеазы определяли по модифицированному методу Ансона. За единицу протеолитической активности (ПЕ) принимали количество фермента, содержащегося в культуральной жидкости, которое за одну минуту катализирует переход в неосаждаемое ТХУ состояние такого количества казеина, которое содержит один микромоль тирозина.

Антибиотическую активность определяли методом диффузии в агар-агар.

Метод основан на способности антибиотического вещества диффундировать в толщу агар-агара и ,тем самым, задерживать рост находящегося в агар-агаре тест организма или убивать его

В качестве тест – микроорганизмов использовали бактериальные и дрожжевые культуры: Escherichia coli К12 (АТСС 25922), Escherichia coli 354, Staphylococcus aureus P 209 (ATCC 6538- 452, Pseudomonas aeruginosa (АТСС 27853), Pseudomonas fluorescens ВКПМ №В-350, Pseudomonas putida КМ МГУ №95, Candida albicans (получены с кафедры микробиологии и заразных болезней ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет») и фитопатогенные грибы: Alternaria tenius, Monilia fructigena, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Fusarium roseus, Fusarium oxysporum, Helmintosporum sativum, Microsporum canis, Mucor sp., Candida albicans, Puccinia graminis, Cladobotrium cladobotrium из музея чистых культур кафедры микробиологии Биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

2.5 Определение веса сухой биомассы.

Этот метод широко применяется для оценки роста микроорганизмов в жидких питательных средах. Мицелий с колбы, содержащей 100 мл культуральной жидкости, перемешивали и фильтровали в воронке через бумажный фильтр, предварительно доведенный до постоянного веса. Осадок троекратно промывали дистиллированной водой. Фильтр с мицелием доводили до постоянного веса в сушильном шкафу при t=1050C и охлаждали 2 часа при комнатной температуре. Вес сухой биомассы ( г/100 мл ): M = (A-B) 100/V, где A – вес фильтра с мицелием, г. B — вес фильтра без с мицелия, г. V – объем культуральной жидкости при фильтровании, мл [93].

2.6 Изучение биосорбирующей способности микроскопического гриба проводили при использовании модифицированной среды Чапека-Докса следующего состава (в %): сахароза – 4. NH₄ H₂PO₄ 0.3. MgSO4 * 7H2О.- 0,05. FeSO₄* 7H₂О — 0,001 . Гриб выращивали в условиях аэрации в колбах Эрленмейера объемом 750 мл на качалках (200-220 об/мин.) в течение 48 — 72 часов при температуре 24-260 С. После завершения процесса культивирования биомассу мицелия отделяли от культуральной жидкости.

2.7 Влияние предпосевной обработки семян на всхожесть семян пшеницы проводили в лабораторных условиях. Для этого семена предварительно обрабатывали в растворе культуральной жидкости, помещали в чашки Петри по 50 штук в каждую и равномерно распределяли на фильтровальной бумаге и заливали в каждую чашку Петри по 10 мл воды. Чашки Петри закрывали крышками и ставили в термостат на 24 часа при температуре 25°С. Через сутки подсчитывали проросшие семена и вновь раскладывали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, заливали водой и оставляли в растительной камере, создавая в ней увлажненную атмосферу, при комнатной температуре.

2.8 Метод отбора проб ила. Для анализа пробу ила отбирали в аэротенке. Вначале приготовленную посуду для отбора проб ополаскивали отобранной водой. Для анализа пробу отбирали повторно, используя ковш объемом 500см³. Вначале погружали в воду на 3 мин, чтобы его температура сравнялась с температурой воды, затем ковш погружали на глубину 0,5 м и сразу же извлекали. Отбор повторяли до тех пор, пока не набралось 2,8-2,9 дм³ иловой смеси. Иловую смесь перелили в стеклянную бутыль объемом 3дм³. Бутыль доставляли в лабораторию, где ее содержимое тщательно перемешивали и разливали следующим образом: а) 1 дм³ – в литровый мерный цилиндр, калиброванный от самого дна для определения дозы ила по объему; б) 1,5 дм³ – в склянку для отстаивания и определения прозрачности надиловой воды; в) 100 см³ – в цилиндр объемом 100см³ для определения дозы ила по весу. При взятии проб измеряли температуру воды. Для этого использовали, термометры с ценой деления 0,1ºС. Для определения температуры на месте взятия пробы 1дм³ воды наливали в склянку, нижнюю часть термометра погружали в воду и через 5 мин отсчитывали показания, держа, его вместе со склянкой на уровне глаз. При проведении помещения, в котором он проводился [94]

2.9 Определение концентрации активного анализа температура пробы соответствовала температуре ила по массе. Определение концентрации активного ила по массе заключается в фильтровании определенного объема иловой смеси с последующим высушиванием и взвешиванием осадка [95]. В сушильный шкаф ставили открытые пронумерованные бюксы с помещенными в них обеззоленными бумажными фильтрами. После того, как температура устанавливалась на 105ºС, отмечали время и сушили один час, затем повышали температуру до 120ºС и сушили еще 30 минут. В шкафу бюксы закрывали, охлаждали эксикаторе до комнатной температуры и взвешивали. Отобранную иловую смесь тщательно перемешивали и наливали в 100см³ цилиндр. Фильтровали этот объем через (предварительно высушенный и взвешенный) бумажный фильтр с помощью водоструйного насоса через воронку Бюхнера. Иловую смесь равномерно распределяли по поверхности фильтра. После того, как иловая смесь вся прошла через фильтр, цилиндр тщательно споласкивали не большим количеством дистиллированной воды, которая также отфильтровывали. Фильтр, сохранивший форму воронки, накладывали в соответствующий бюкс и помещали в холодный сушильный шкаф, крышку бюкса помещали рядом. После того, как весь анализируемый материал размещен в шкафу, дверца его закрыли, шкаф включили при 120ºС пробы выдерживали до постоянного веса. Первое взвешивание бюксов производили через 30 мин высушивания. Перед взвешиванием шкаф выключали, каждый фильтр осторожно, чтобы не потерять осадок, складывали и помещали в соответствующий бюкс. После этого с помощью специальных щипцов бюксы закрывали крышками и переносили из шкафа в эксикатор. После того, как бюксы в эксикаторе охлаждались до комнатной температуры, начинали взвешивание ила. Взвешивали, вычитая, начальную массу бюкса с фильтром. Доза ила по d весу рассчитывали по формуле:

d=(a-b)∙1000/V, г/дм³

где 1000 – коэффициент пересчета см³ в дм³;

a и b – вес бюкса с осадком и без осадка соответственно, г;

V – объем отфильтрованной пробы, см³.

2.10 Определение илового индекса и видового состава микроорганизмов активного ила [96]

Определение илового индекса характеризует седиментационные свойства активного ила, но уже с учетом его сухой массы. Иловый индекс это объем 1 грамма сухого ила занимаемый им за 30 минут отстаивания в 1 дм³ цилиндре. Отобранная иловая смесь находилась в лабораторном помещении пока ее температура не сравнялась с комнатной. После чего тщательно перемешивали и наливали в 1 дм³ цилиндр, который ставили на горизонтальную поверхность стола. Включали секундомер и через каждые 3 минуты отмечали объем в см³, занимаемый оседающей массой активного ила. Через 30 мин отстаивания записывали окончательное значение дозы ила по объему, выраженное в см³. Результат округляли до целых см³. Наблюдения проводили в прохладном помещении, вдали от источников тепла, так как при температуре выше 25ºС во время наблюдений может произойти всплывание осевшего активного ила вследствие денитрификации. Иловый индекс I рассчитывали, после того как получены значения дозы ила по сухому весу и объему. Результат, получили, делением численных значений дозы ила по объему V (см³/дм³) на дозу ила по сухому веществу d (г/дм³):

I=V/d, см³/г

Видовой состав микроорганизмов активного ила определяли на основании морфологических, культуральных и биохимических свойств чистых культур. Для идентификации использовали определитель Берги [97]

2.11 Определение БПК

БПК – это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (5 и 20 суток), в мг кислорода на 1мг вещества. БПК является мерой содержания только тех органических соединений, которое могут служить активным субстратом для микроорганизмов. Присутствие в пробе веществ, не подвергающихся биохимическому распаду, не отражается на определяемой величине БПК. Суть метода в том , что в исследуемой воде вычисляют количество растворенного кислорода до и после выдерживания пробы в термостате при 20ºС в течение определенного времени (2,3,5,20 суток). Перед определением БПК готовили разбавляющую воду. Для этого исследуемую воду разбавляли в 10-100 раз водопроводной водой, приливали 2-8 мл реактивов для разбавляющей воды и отстаивали в открытой стеклянке на 2-3 дня. [98].

Содержание растворенного кислорода определяли йодометрическим методом. Подготовили 4 калиброванные склянки на 150-200 мл. В первую и вторую склянку наливали предварительно разбавленную исследуемую воду, в третью и четвертую – разбавленную воду. В первой и третьей склянке сразу же определили содержание растворенного кислорода, вторую и четвертую склянку поставили в термостат при 20ºС через 5 суток определили в этих пробах содержание растворенного кислорода.

1. БПК₅ разбавляющей воды (х₁, мг/л)

Х₁=[(а₁/(V₁-2) – a₂/(V₂-2)]· K 0.08·1000,

где а₁ – объем 0,01н раствора тиосульфата натрия титрование пробы до выдерживания в термостате, мл;

a₂ – объем 0,01н раствора тиосульфата натрия титрование пробы через 5 суток, мл;

V₁ – объем склянки, в который проводилось определение кислорода до выдерживания, мл;

V₂ – объем склянки, в который выдерживалась проба, мл;

K – поправочный коэффициент для приведения концентрации тиосульфата натрия точно 0,01н;

0,08 – сотая доля грамм-эквивалента кислорода;

2 – объем реактивов, прибавляемых в склянку при определении содержания кислорода, мл

1. БПК₅ исследуемой воды (х₂, мг/л)

Х₂= [(а₁/(V₁-2) – a₂/(V₂-2) · K 0.08·1000 – Х₁]·1000/b

где b – объем исследуемой сточной воды (в мл), взятой для анализа и разбавленной до 1л [99].

2.12 Определение ХПК. ХПК – химическая потребность в кислороде, то есть количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг кислорода на 1 мг вещества [100]. Для определения ХПК использовали ускоренный метод определения. К 1мл или 5мл сточной воды добавляли 2,5 мл 0,25н раствора бихромата калия и при перемешивании приливали концентрированную серную кислоту (7,5 или 15 мл). Смесь выдерживали 3 минуты. Окисление органических веществ происходит при температуре раствора 100˚С, достигаемой за счет экзотермической реакции. Далее содержимое колбы охлаждали до комнатной температуры. Смесь в колбе доводили дистиллированной водой до 150 мл и содержимое колбы титровали раствором соли Мора в присутствии 2 капель индикатора N-фенилантраниловой кислоты. Цвет раствора в эквивалентной точке резко менялся из вишнево-фиолетового в буровато-зеленый. Аналогичным образом проводили «холостое» определение с 10 мл дистиллированной воды. Расчет проводили по формуле:

ХПК= (V₁-V₂)·N·K·8·1000/V, мл/л

где V₁ — объем раствора соли Мора, израсходованного в «холостом» опыте, мл;

V₂ – объем раствора соли Мора, израсходованного на титрование исследуемой пробы, мл;

N – Нормальность применяемого раствора соли Мора;

K – поправочный коэффициент раствора соли Мора;

8 – эквивалент кислорода;

V – объем исследуемой воды, взятой для анализа, мл [101].

2.13 Метод анализа биосорбирующей способности микофильных грибов к раствору Na₃[Co(NO₂)₆]

Готовят стандартные образцы растворов Na₃[Co(NO₂)₆] с концентрацией 0,1; 0,2; 0,3;…; 1,0%. Измеряют оптическую плотность данных концентраций на КФК — 2 при длине волны λ = 400 нм. По полученным результатам строят градуировочный график. Далее готовят пять 0,1% растворов Na₃[Co(NO₂)₆] по 100 мл в мерных колбах. В них вводят по 1 г мертвой биомассы гриба. Оставляют на качалке на 3 ч. Затем данные растворы отфильтровывают и в течение 1 ч. центрифугируют до полного осаждения гриба. Полученные растворы измеряют на КФК – 2 при длине волны λ = 400 нм, в результате чего получают значения оптической плотности. По градуировочному графику определяют среднюю остаточную концентрацию ионов [Co(NO₂)₆]³⁺ в растворе [102].

2.14 Метод анализа биосорбирующей способности микофильных грибов к раствору FeCl₃·6H₂O [103].

Готовят 3 образца по 300 мл раствора FeCl₃·6H₂O с концентрацией 0,1%. В них ввели по 1 г мертвой биомассы гриба и поставили на качалку. Через 30, 60, 90, 180, 210, 240 мин., через 6 и 24 часа после смешения биомассы с 0,1% раствором FeCl₃·6H₂O часть раствора отделяли от раствора фильтрованием. Отбирали пипеткой 25 мл фильтрата и оттитровывали 0,1 н соляной кислотой в присутствии 2 капель метилового красного до перехода желтой окраски в красную. Определяли затраченный объем титранта.

Концентрацию раствора железа после его контакта с грибом определяли по среднему значению объема титранта по формуле:

С_[Fe]=C_HCl V_HCl/V_[Fe] [104].

2.15 Микробиологические и гельминтологические исследования проводились известными способами [105].

2.16 Выделение ДНК и ПЦР анализ проводили согласно [106], [107]. Условия электрофореза ПЦР исследуемых образцов: 1,0% агарозный гель, электрофорез при напряженности электрического поля 5 В/см. Секвенирование генов, кодирующих 16S рРНК проводится на автоматическом секвенаторе АЕЗООО. Построение древа родства Ribosomal Database ProjectII [108].. Для обработки СВЧ-излучением суспензий чистых культур, сточной воды и илового осадка использовали микроволновую печь «Электроника 3 С» при частоте 2450 МГц, длине волны 12.5 см, при номинальных мощности 400 и 800 Вт и экспозициях облучения: от 1 до 10 минут)

2.17 Определение токсичности сточных вод боен

Объектами исследований являлись сорта люцерны «Ярославна», кукурузы «Катерина», ячменя «Оренбургский совместный». Определение токсинов в культуральной жидкости проводили по скорости прорастания семян, согласно методу, предложенному Н.А. Красильниковым (1966) [109].

Семена пшеницы предварительно промывали водопроводной и дистиллированной водой, затем раскладывали в подготовленные чашки Петри по 50 штук и равномерно их распределяли на фильтровальной бумаге. Чашки Петри расставили по числу вариантов в четыре ряда. В каждую чашку налили по 10 мл воды (водопроводной, исходной, недоочищенной, очищенной). В контрольные чашки налили по 10 мл воды. Чашки Петри закрыли крышками и поставили в термостат при температуре 25°С на сутки. Через сутки семена промывали водопроводной и дистиллированной водой, вновь раскладывали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, заливали водой и оставляли при комнатной температуре. В процессе динамики роста растений определяли энергию прорастания семян, длину главного корня, длину проростков[110].

III Результаты и обсуждение

3.1 Исследование состава сточных вод и эффективности биологической очистки свинооткормочного предприятия

При забое крупного рогатого скота, свиней, птиц и других животных образуются жидкие отходы, так называемые стоки скотобоен. Для того, чтобы такие стоки могли быть использованы для орошения полей, необходим принять определенные меры для их предварительного обезвреживания. Без предварительного обезвреживания и переработки использование таких стоков для орошения полей не представляется возможным, поскольку они несут определенную опасность. Как известно, биологическая очистка сточных вод активным илом аэротенков, так хорошо зарекомендовавшая себя при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод, оказалась не эффективной для очистки высококонцентрированных сточных вод [111].

С предприятия свинооткормочного комплекса, на биологическую очистку поступают хозяйственно-бытовые сточные воды, с убойного цеха и производственные сточные воды. Система сбора ливневых стоков отсутствовала. Соотношение количеств отдельных видов сточныхвод менялось в зависимости от времени года. Сточные воды цеха убоя и производственные сточные воды являлись наиболее загрязненными. Они образовывались в результате различных технологических операций, а также при мойке емкостей и уборке производственных помещений. Анализ поступающих на очистку сточных вод цеха убоя скота показал высокие показатели ХПК, БПК, взвешенных веществ, жира, азота, фосфора, хлоридов, присутствие тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов (таблица 3).

Действующие очистные сооружения запроектированы Ленаэропроект ТП 902-03-13 и пущены в эксплуатацию в 1991 году. Производительность очистных сооружений – 1400 м3/сутки.

Таблица 3

Состав исходной сточной воды цеха убоя птицы

Состав очистных сооружений:

• Приемная камера;
• Решетки РМУ-1;
• Песколовки;
• Первичный отстойник из трех секций;
• Аэротенк из трех секций;
• Вторичный отстойник из трех секций;
• Регенератор из трех секций;
• Стабилизатор-минерализатор из трех секций;
• Резервуар биологически очищенной воды;
• Резервуар фильтрованной воды и для промывки фильтров;
• Песчаные фильтры;
• Контактный резервуар из двух секций;
• Пруды-аккумуляторы – 3 шт.;
• Хлораторная;
• Песковые площадки;
• Иловые площадки.

Сточная вода, поступает в приемную камеру. Затем проходит решетки (механизированные), где происходит очистка сточной воды от крупного мусора. Долее по лоткам подводится в песколовки (горизонтальные с круговым движением воды) и затем проходит водоизмерительный лоток, после которого распределяется по секциям блока емкостей. В блоке емкостей с первичным отстаиванием сточная вода проходит последовательно: первичные отстойники, аэротенки, вторичные отстойники и контактные резервуары. В аэротенке в процессе биохимической очистки стоков происходит окисление и распад сложных органических соединений и не окисленных неорганических соединений за счет кислорода воздуха и жизнедеятельности микроорганизмов (активного ила).

Процесс биохимической очистки сточных вод в аэротенке происходит в три стадии:

• в первой, начальной стадии, сразу же после смешения поступающей сточной воды с активным илом, происходит процесс адсорбции или изъятия органических загрязнителей активным илом и окисление легкоокисляющихся веществ. Первая стадия продолжается 0,5-2 часа.
• во второй стадии процесса происходит окисление окисляющихся веществ и регенерация активного ила, то есть восстановление его активных свойств, значительно сниженных к концу первой стадии. Скорость потребления кислорода во второй стадии значительно ниже, чем в первой;
• в третьей стадии происходит нитрификация аммонийных солей, и скорость потребления кислорода вновь возрастает.

Вторичные отстойники составляют с аэротенками технологически связанные сооружения и служат для отделения активного ила от очищенной жидкости. Иловая смесь движется от центра отстойника к периферии и за счет гидравлических сил происходит осаждение ила на дно отстойника. После контактных резервуаров очищенная вода отводится на сооружения доочистки – песчаные фильтры. Процесс фильтрования происходит через крупнозернистую песчаную загрузку при движении потока жидкости сверху вниз. После установки доочистки, на выходе, установлены два водомера ВМХ 100. Отфильтрованная вода отводится в пруд-аккумулятор. Отбросы с решеток собираются в контейнер, и вывозится мусоровозом на специально отведенные площадки, согласованные с местными санитарными органами. Складирование осадка с песколовок производится на двух песковых площадках, по проекту возможно накопление шлама до 24 т/год, общий объем – 16 м³. На данный момент площадки заполнены примерно на 1/6 часть. Активный ил из вторичных отстойников с помощью эрлифтов отводится в аэротенк, а избыточный ил – в аэробный стабилизатор, где совместно с осадком из первичных отстойников сбраживается в аэробных условиях. В процессе сбраживания должна достигаться такая степень распада беззольного вещества 25-30%, при которой обеспечивается наибольшая водоочистка и возможность интенсивного компостирования осадка. Для отведения иловой воды в аэробном стабилизаторе предусмотрена отстойная зона, откуда она перепускается в аэротенк. Сбраживаемый осадок из стабилизаторов перекачивается насосами, установленными в производственно вспомогательном здании на иловую площадку. Имеются 4 иловые карты (две рабочие), заполнены на 30%. Общий объем карт – 142,3 м³, вместимость – 38 т. Дренажные воды песковых и иловых площадок возвращаются на очистку в голову очистных сооружений. Обеззараживание очищенных стоков не производится. Построенная хлораторная не работает. На территории очистных сооружений эксплуатируются 3 аэротенка рабочим объемом 216 м³, мощность очистных сооружений 1400м³/суток. Аэрация в аппаратах осуществляется подачей сжатого технического воздуха через аэратор, расположенные на дне каждой секции. Подача воздуха регулируется в каждой секции индивидуальной задвижкой, что позволяет при необходимости создавать микроаэробные условия. На аэраторах предусмотрены 3 порции подачи кислорода от 0,5 – 2 мг/дм³. Время пребывания сточных вод в установке 24 часа. За работой установок осуществляется химико-аналитический гидробиологический контроль, проводимой в лаборатории. На очистных сооружениях предприятии производится определение дозы активного ила, илового индекса, взвешенных веществ, ХПК, реже – БПК и морфологии индикаторных организмов – простейших.

Мы сочли целесообразным провести гидрохимический и микробиологический контроль состояния биоценоза активного ила изучаемого нами предприятия, без которого невозможно нормальное функционирование очистных сооружений.

Результаты исследований физических свойств ила показали, что хлопья ила светло-коричневые и темно-коричневые, внешний вид надиловой воды – это прозрачная неокрашенная жидкость. Иловый индекс в аэротенках превышает 300 мг/л, что свидетельствует о нарушениях нормальной работы аэротенка.

В изучаемых нами биоценозах аэротенков — смесителей периодического действия основную массу организмов активного ила составляли микроскопические грибы родов Aspergillus, Mucor, Rhizobium, Penicillium, а также мицелиальный гриб Mycelia sterile.

Из литературных данных известно, что микроскопические грибы способны эффективно усваивать специфические загрязнения сточных вод. Однако массовое развитие грибов ухудшает аэрацию и осаждению ила во вторичном отстойнике. По этой причине массовое развитие грибов в очистных сооружениях канализации нежелательно. Микрофлора активного ила при хорошем качестве очистки должна отличаться также богатым видовым разнообразием (от 25 до 45 видами простейших). И хотя простейшие не участвуют в процессе деструкции токсичных соединений, их роль важна как звено трофической цепи в поглощении клеток бактерий. Простейшие, населяющие активный ил, являются чувствительными биологическими индикаторами, реагирующими на изменение условий внешней среды.

В активном иле изучаемых нами биологических очистных сооружений преобладали представители жгутиковых и мелких инфузорий: Paramecium caudatum, Colpoda cuculus, Podophrya fixa, Chylodonella cucullulus. Это может быть вызвано недостатком кислорода или в связи с протеканием процесса гниения. Из полученных нами экспериментальных данных можно сделать следующий вывод: биоценоз изучаемого нами активного ила по составу микроорганизмов не соответствует качеству очищаемых сточных вод вследствие их отрицательного влияния на микроорганизмы. Состав очищенных сточных вод не соответствовал требованиям, предъявляемым для использования их на земледельческих полях орошения.

3.2 Подбор наиболее активных штаммов микроорганизмов и включение их в биоценоз активного ила

Для биологических очистных сооружений первостепенное значение имеет поиск активных культур с повышенной деструктивной активностью, их всестороннее изучение и создание новой системы их использования [112]. Как правило, это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур из мест, где имел место длительный контакт микроорганизмов с соответствующими ксенобиотиками. Такие микроорганизмы обладают высокой утилизирующей способностью к тому или иному загрязнителю и проявляют способность обмену генетическим материалом, изменению типа обмена веществ бактериальных клеток и индукции адаптивных ферментов, закреплению ими приобретенных свойств. Улучшению характеристик полученных активных культур способствует их иммобилизация на различных бионосителях [113]. [114],

Нами было выделено около 50 чистых культур наиболее активных бактерий-деструкторов жира, целлюлозы, белка из загрязненной стоками бойни в течение длительного периода почвы с территории свинооткормочного комплекса, проведена их идентификация по совокупности морфологических, культуральных и биохимических свойств и молекулярно-генетическим методом.

Первоначально по совокупности морфологических. культуральных и биохимических признаков бактерии были отнесены к представителям рода Enterococcus, Lactobacillus, Pseudomonas. Методом полимеразной цепной реакции с помощью анализа генов, кодирующих 16S РНК по 8f — aga gtt tga tec tgg etc ag; 926r — ccg tea att cct ttr agt tt; 1492r — ggt tac cct tgt tac gac tt и секвенировании вариабельных участков генов, кодирующих 16S рРНК, для бактерии Enterococcus получена следующая собранная нуклеотидная последовательность: CGCTTCGGTTTACGCCCAAWACWTTASGACTACGCTCGCCACCTACRTATTACCGCGGCTGMTGGCACGTASYTMGCCSTGGCTTTCTGGTTAGATACCGTCAAGGGATGAACATTTTACTCTCATCCTTGTTCTTCTCTAACAACAGAGTTTTACGATCCGAAAACCTTCTTCACTCACGCGGCGTTGCTCGGTCAGACTTTCGTCCATTGCCGAAGATTCCCTACTGCTGCCTCCCGTAGGAGTCTGGGCCGTGTCTCAGTCCCAGTGTGGCCGATCACCCTCTCAGGTCGGCTATGCATCGTTGCCTTGGTGAGCCGTTACCTCACCAACTAGCTATGCACCGCGGGTCCATCCTCAGTGACGCAAAAGCGCCTTTCAAYTTTCTTCCATGCGGAAAATAGTGTTATACGGTATTAGCACCTGTTTCCAAGTGTTATCCCCTTCTGATGGGCAGGTTACCCACGTGTTACTCACCCGTTCGCCACTCTTTTTCTTTCGRTGGAGCAAGCTCCGGTRAAAGAAAAAGCGTTCGACTTGCATGTATTAGGCACGCCGCCAGCGTTCGTCCTGAGCCAGGATCAAAC. Анализ филогенетического родства, построенный с использованием типовых штаммов близкородственных бактерий показал, что наиболее близким к исследуемому штамму является вид Enterococcus casseliflavus (98%).

В активном иле были обнаружены также грамположительные, палочковидные анаэробные неспорообразующие бактерии, первоначально по совокупности морфологических, культуральных и биохимических свойств отнесенные к роду Lactobacillus. Секвенирование вариабельных участков генов, кодирующих 16S рРНК показало следующую собранную нуклеотидную последовательность для исследуемого штамма:

CTGTTCGCTACCCATGCTTTCGAGCCTCAGCGTCAGTTACAGACCAGACAGCCGCCTTCGCCACTGGTGTTCTTCCACTCCCGGGGAGT

Первичный скрининг по базе данных GenBank и RDP-II показал, что исследуемый штамм принадлежит к следующим систематическим группам Bacteria; Firmicutes; Bacilli; Lactobacillales; Lactobacillaceae; Lactobacillus, причем гомология с некоторыми видами рода Lactobacillm составляет 99%. Последовательности были выровнены с соответствующими последовательностями ближайших видов бактерий, доступными из базы данных GenBank. Результаты обработки секвенсов при помощи компьютерной программы находящейся на сайте RDB II (Ribosomal Database Project II), предназначенной для определения родства микроорганизмов и построения филогенетических деревьев, представляются в графическом виде.

S000003746 0.9880.8971404 Lactobacillus rhamnosus (T); JCM 1136; D16552

S000009879 0.990 0.940 1431 Lactobacillus zeae (T); ATCC15820; D86516

S000319968 0.990 0.943 1416 Lactobacillus paracasei (T); NBRC 15906; AB181950

S000386800 0.974 0.825 1470 Lactobacillus manihotivorans (T); OND 32; LMG 1801 ОТ; AF000162

SOOQ395052 0.990 0.940 1432 Lactobacillus casei (Т); АТСС 393; AF469172

S000413948 0.990 0.943 1438 Lactobacillus paracasei (T); JCM 8130; D79212

S000652804 0.981 0.871 1424 Lactobacillus camelliae (Т); МСНЗ-1; АВ257864

S003258472 0,976 0.847 1380 Lactobacillus porcinae (T); type strain: R-42633; DH 7.6; HE616585

S003260459 0.979 0.849 1402 Lactobacillus nasuensis (T); SU 18; AB608051

S003658497 0.974 0.830 1417 Lactobacillus hokkaidonensis (T); LOOC260; AB721549

Анализ филогенетического родства, построенный с использованием типовых штаммов близкородственных бактерий показал, что наиболее близким к исследуемому штамму является вид Lactobacillus paracasei.

И наконец, из активного ила очистных сооружений свинооткормочного комплекса были выделены бактерии, которые на агар-агаре (рН =7,0-7,2) формируют непрозрачные колонии беловато-бежевого цвета, с ровным краем, диаметром 2-3 мм, консистенция мягкая, легко снимаются с агар-агара. С возрастом могут образовывать розоватый пигмент. Клетки грамотрицательные палочки, по форме могут быть прямые или слегка изогнутые, расположенные одиночно или парами, длиной от 0,5 до 1,5 мкм, неспорообразующие. Первоначально бактерия напоминала представителей рода Pseudomonas. При секвенировании вариабельных участков 16S rDNA получена следующая собранная нуклеотидная последовательность для исследуемого штамма:

ACTCCCACGCGGCGTCTTAACGCGTTAGCTTCGATACTGCGTGCCAAATTGCA CCCAACATCCAGTTCGCATCGTTTAGGGCGTGGACTACCAGGGTATCTAATCC TGTTTGCTCCCCACGCTTTCGTGCCTCAGTGTCAGTGTTGGTCCAGGTAGCTGC CTTCGCCATGGATGTTCCTCCCGATCTCTACGCATTTCACTGCTACACCGGGA ATTCCACTACCCTCTACCACACTCTAGTCGCCCAGTATCCACTGCAATTCCCA GGTTGAGCCCAGGGCTTTCACAACAGACTTAAACAACCACCTACGCACGCTTT ACGCCCAGTAATTCCGAGTAACGCTTGCACCCTTCGTATTACCGCGGCTGCTG GCACGAAGTTAGCCGGTGCTTATTCTTTGGGTACCGTCAGAACAACCGAGTAT TAATCGACTGCTTTTCTTTCCCAACAAAAGGGCTTTACAACCCGAAGGCCTTC TTCACCCACGCGGTATGGCTGGATCAGGCTTGCGCCCATTGTCCAATATTCCC CACTGCTGCCTCCCGTAGGAGTCTGGACCGTGTCTCAGTTCCAGTGTGGCTGA TCATCCTCTCAGACCAGCTACGGATCGTCGCCTTGGTGGGCCTTTACCCCGCC AACTAGCTAATCCGACATCGGCTCATCTATCCGCGCAAGGCCCGAAGGTCCCC TGCTTTCACCCGAAGGTCGTATGCGGTATTAGCGTAAGTTTCCCTACGTTATCC CCCACGAAAAGGTAGATTCCGATGTATTCCTCACCCGTCCGCCACTCGCCACC CATAAGAGCAAGCTCTTACTGTGCTGCCGTTCGACTTGCATGTGTTAGGCCTA CCGCCAGCGTTCACTCTGAGCCAG

Первичный скрининг по базе данных GenBank и RDP-II показал, что исследуемый штамм принадлежит к следующим систематическим группам: Bacteria; Proteobacteria; Gammaproteobacteria; Xanthomonadales; Xanthomonadaceae; Stenotrophomonas. Последовательности были выровнены с соответствующими последовательностями ближайших видов бактерий, доступными из базы данных GenBank. Анализ филогенетического родства, построенный с использованием типовых штаммов близкородственных бактерий, показал, что наиболее близким к исследуемому штамму является вид Stenotrophomonas rhizophila.

Выделенные культуры были проверены а устойчивость к алюминию, кобальту и меди в концентрациях выше 10 раз ПДК рыбохозяйственных водоемов. Как видно из рисунков 2 и 3, воздействие тяжелых металлов оказалось губительным для бактерий активного ила. В то же время при сокультивировании с теми же металлами консорциума, состоящего из Enterococcus casseliflavus , Stenotrophomonas rhizophila и Lactobacillus paracasei отмечалась устойчивость ассоциации к металлам. Это очень ценное свойство бактерий-деструкторов, используемых на биологических очистных сооружениях.

Поступление на биологическую очистку жиров в количествах, превышающих 50 мг/л препятствует поступлению кислорода к микроорганизмам за счет образования вокруг хлопков активного ила жировой пленки, эффективность очистки стоков снижается. Для использования сточных вод на земледельческих полях орошения также недопустимо присутствие жиров свыше 50 мг/л. Наиболее целесообразным является использование микроорганизмов, прирост биомассы которых происходит за счет потребления углерода жировых веществ, входящих в состав загрязняющих компонентов стока. Полученный селекционным путем и идентифицированный консорциум бактерий Enterococcus casseliflavus, Stenotrophomonas rhizophila и Lactobacillus paracasei проявлял способность хорошо развиваться на исходной воде убойного цеха в режиме глубинного культивирования в хемостате, совмещая при этом высокую скорость размножения, устойчивость к тяжелым металлам и высоким концентрациям хлоридов. При культивировании консорциума на исходной воде убойного цеха наблюдалось снижение содержания жиров от 500 мг/л до 250 мг/л.

Возможным направлением в очистке жиросодержащих сточных вод является использование микробных ферментных препаратов, способных ускорять биохимическое окисление жира до глицерина и жирных кислот [115]. Недостатком предлагаемых способов является накопление в очищаемой сточной воде дополнительных органических загрязнителей – ферментов, имеющих белковую природу, большие материальные затраты, связанные с их получением и очисткой.

В результате использования штамма микроскопического гриба Hypomyces odoratus 94/77 в глубинных условиях при температуре 24-26⁰С в течение 24 часов на сточной воде убойного цеха птицефабрики состава: БПК₅=2163±40 мг О₂/дм³; ХПК=11800±20 мг/дм³; взвешенные вещества=1500±375 мг/дм³; общий азот = 281 мг дм³; фосфат-ионы = 79,7±24 мг /дм³; хлорид-ионы =281±128 мг/дм³; жиры и масла = 374±31 мг/дм³; рН_исх = 7,0. В этом случае нарастание биомассы слабое, через 48 часов роста составило 2,6 г абсолютно сухого вещества на 1 л культуральной жидкости (г АСВ/л). Результаты по накоплению биомассы и ферментативной активности через 24 часа роста той же культуры при исходных рН= 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,5 в таблице 4.

Таблица 4

Влияние рН на биосинтез биомассы и липолитическую активность гриба Hypomyces odoratus после 16 и 24 часов культивирования гриба

*Примечание: 1 – 16 часов культивирования; 2 – 24 часа культивирования

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что рН_исх.=4,0-6,0 обеспечивают наиболее оптимальный прирост биомассы гриба.

Результаты определения накопления биомассы, липолитических ферментов, а также изменений показателя химического потребления кислорода (ХПК) и содержания жира в сточной воде при культивировании гриба в течение 16, 24 и 48 часов представлены в таблице 5.

Таблица 5

Влияние длительности культивирования и исходного рН на выход биомассы и липазную активность, а также на изменения ХПК*

Примечание: ХПК – химическое потребление кислорода (мг О₂/дм³)

Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что прирост биомассы гриба происходит уже через 16-24 часов роста за счет потребления жиров, о чем можно судить по значениям снижения показателей ХПК и содержания жира.

В то же время в культивировании гриба более, чем 24 часа роста нет необходимости, так как данный период обеспечивает достаточный прирост биомассы и снижение ХПК. Полученный консорциум бактерий и микофильный гриб аналогично при культивировании в хемостате в течение 24 часов обеспечивал снижение показателя ХПК и содержание жира (таблица 6). Предлагаемый нами способ очистки жиросодержащих сточных вод имеет преимущества в том, что в процесс биологической очистки жиросодержащих стоков вносится консорциум микроорганизмов — активных продуцентов липазы, в связи с чем сокращаются сроки культивирования до 16-24 часов; обеспечивается использование более широкого оптимального диапазона рН =4,5 — 7,5; и температуры культивирования (t= 24 — 36⁰С); увеличивается выход биомассы гриба; значительно снижается содержание жира в сточной воде, показатель ХПК.

Таблица 6

Влияние длительности культивирования на показатель ХПКН, выход биомассы и липазную активность консорциума бактерий и микроскопического гриба Hypomyces odoratus при росте на сточной воде убойного цеха

3.3 Подбор методов доочистки для осветления очищенных стоков, обезвреживания и удаления токсичных элементов

Для удаления тяжелых металлов из сточных вод промышленных предприятий предложен целый ряд химических и физико-химических методов: гравитационное осаждение, флотация, фильтрация, адсорбция, обратный осмос, электродиализ, дистилляция и химическое осаждение. Все эти способы не обеспечивают очистку больших объемов воды или дороги, поэтому экономически невыгодны. Химические способы, например, не годятся для очистки вод с очень низкими концентрациями ионов металлов и вызывают вторичное загрязнение остатками вносимых в воду реагентов [116].

В последние годы на стадиях доочистки сточных вод широко используются коагулянты на основе природных минералов, например, таких как продукт компании ООО «РГХО». Для апробации суспензии гидроксида магния под названием МагТрит-С и оценки эффективности его применения для доочистки сточных вод боен мы первоначально подбирали оптимальные концентрации, при которых не происходило угнетение активного ила. Выбранные концентрации МагТрит от 200 до 700 мг/дм³ не оказывают подавляющего воздействия на микрофлору активного ила очистных сооружений, а более высокие (свыше 700 мг/дм³) концентрации вызывают осаждение клеток активного ила и подавление процессов деструкции загрязнителей. Результаты проведенных экспериментов приведены в таблице 7.

Таблица 7

Влияние суспензии гидроксида магния МагТрит-С в концентрации 300-400 мг/дм³ на оседаемость активного ила

Примечание: АИ – активный ил

Из данных таблицы видно, что добавление МагТрит-С в концентрации 350 мг/дм³ (при массовой доле основного вещества 35 % в 1 мл раствора содержится 100 мг вещества) вызывает тотчас улучшение процесса осаждения ила, очевидно, за счет улучшения структуры ила, что будет иметь немаловажное значение в процесса очистки сточных вод. Влияние добавок МагТрит-С на активный ил исследован по изменению величин ХПК. Результаты исследования приведены в таблице 8.

Таблица 8

Влияние МагТрит-С на величину ХПК активного ила

В результате применения в процессах доочистке сточных вод боен препарата МагТрит-С в концентрации 350 мг/дм³ наблюдали улучшение функционирования вторичных отстойников, получали хорошо осажденный осадок активного ила, прозрачную очищенную сточную воду, в которой содержание тяжелых металлов, санитарно-бактериологических и санитарно-паразитологических показателей соответствовали нормативам (таблица 9).

Таблица 9

Исследование эффективности использования препарата МагТрит-С в очистке сточных вод птицефабрики

Примечание: АИ – активный ил БОС

3.4 Изучение сорбирующей способности микроскопического гриба Hypomyces odoratus к некоторым тяжелым металлам

3.4.1 Определение содержания меди

Содержание меди определяли до и после культивирования гриба на сточной воде скотобойни аммиачным методом. Аммиачный метод основан на образовании ионом Cu ²⁺ с аммиаком комплекса [Cu (NH₃) ₄] ²⁺, окрашенного в интенсивно – синий цвет: Cu ²⁺ + 4 NH₃ → [Cu (NH₃) ₄] ²⁺

Окраска его достаточно устойчива, поэтому колориметрировать раствор можно с помощью фотоэлектрического колориметра КФК – 2.

Перед определением концентрации меди в растворе построили градировочный график, пользуясь специальным растворителем и стандартным раствором соли меди. Измерили оптическую плотность всех растворов и вычислили концентрации растворов меди в мерных колбах по формуле:

C₁ = 1.0 / 25 = 0.04 (мг/мл); C₂ = 1.5 / 25 = 0.06(мг/мл) ;C₃ = 2.5 / 25 = 0.1 (мг/мл) C₄ = 4.0 / 25 = 0.16 (мг/мл); C₅ = 5.0 / 25 = 0.2(мг/мл)

По полученным данным составили таблицу 10.

По данным таблицы построили градировочный график, отложив по оси абсцисс – концентрации ионов Cu ²⁺, а по оси ординат – соответствующие им оптические плотности.

Таблица 10

Концентрация ионов меди в сточной воде после биосорбции

Рисунок 2 — График зависимости оптической плотности от концентрации

Зависимость оптической плотности (D) от концентрации (С) растворов CuSO₄ · 5H₂O Расчетная степень адсорбции мицелиев и их ХГК, представлена в таблице 11.

Таблица 11

Степень адсорбции (Q) ионов меди на различных средах

Из таблицы 11 видно, что наибольшей степенью адсорбции к ионам меди обладают мицелий гриба, выращенный на сточной воде 43%.

3.4.2 Анализ биосорбирующей способности микофильного гриба к ионам кобальта (II)

Были приготовлены стандартные образцы растворов Na₃[Co(NO₂)₆] и измерены их оптические плотности на КФК — 2 при длине волны λ = 400 нм. По полученным результатам был построен градуировочный график. После контакта с биомассы гриба с раствором кобальта полученные растворы измерили на КФК- 2 при длине волны λ = 400 нм, в результате чего получили следующие значения оптической плотности (А): 0,462; 0,438; 0,431; 0,466; 0,451.

По градуировочному графику определили среднюю остаточную концентрацию, равную 0,03% ионов [Co(NO₂)₆]³⁺ в растворе. Начальная концентрация раствора кобальта составляла 0,1%. Из полученных данных следует, что микофильный гриб абсорбирует ион кобальта (II) на 70%.

Величину сорбционной емкости биомассы по отношению к кобальту нельзя объяснить только протеканием ионного обмена, так как количество способных к взаимодействию с ионами кобальта карбоксильных групп не может превышать значение полной статической обменной емкости по отношению к анионам, что дает возможность предположить, что извлечение катионов кобальта происходит за счет образования комплексов. В качестве лигандов в этом процессе могут участвовать карбоксильные и аминогруппы, способные как к хелатированию, так и к ионному обмену

Таблица 12

Концентрация ионов меди в сточной воде после биосорбции

Рисунок 3 — Зависимость оптической плотности от концентрации ионов кобальта (II).

3.5 Изучение стерилизующего эффекта электромагнитного излучения на условно-патогенную микрофлору сточной воды

По некоторым данным, комбинаты мясной промышленности характеризуются большой бактериальной обсемененностью. В сточных водах скотобоен имеется значительная концентрация бактерий Escherichia coli (коли-индекс) колеблется от 10 000 до 100 000 000, общее микробное число составляет: при температуре +22°С 1 700 – 210 000 и более, при температуре +37°С – 434 000 и более); такие стоки содержат значительное количество патогенных бактерий что явно свидетельствует о их санитарно-эпидемиологической опасности. Непосредственно (напрямую) использовать такие сточные воды на орошение нельзя использовать [117].

В последнее время, помимо таких способов обезвреживания сточных вод как обработка хлорной известью, аммиаком, ультрафиолетовое облучение, ионизирующее облучение, представляется перспективным использование электромагнитного излучения или СВЧ-обработка стоков. Применение СВЧ-энергии для подавления микроорганизмов и стерилизации жидкостей, требует тщательного исследования, поскольку даже при наличии ряда публикаций по данному вопросу, данные по влиянию на различные группы микроорганизмов весьма противоречивы и однозначного ответа на вопрос, каков механизм действия электромагнитных полей дать в настоящий момент затруднительно [118].

Согласно одних исследований воздействие СВЧ-обработки приводит к гибели микроорганизмов даже при малых мощностях [119]. Однако, некоторые микроорганизмы имеют дополнительные защитные оболочки, обладающие высоким тепловым сопротивлением, для уничтожения таких микроорганизмов требуется использование более мощных генераторов диапазона СВЧ-излучения или совокупность как минимум пяти факторов — СВЧ-энергия, электролиз, синхронизация питания, рекуперация и серебро. В литературе имеются сведения, что отклик микроорганизмов на влияние магнитного поля видоспецифичен и включает как ингибирование, так и стимуляцию. В результате проделанной работы мы установили, что электромагнитные волны сантиметрового диапазона оказывают влияние на изученные культуры бактерий. Однако реакция на облучение СВЧ-излучением у изученных штаммов не одинакова (рисунок 6). Как показали результаты, наиболее устойчивы к облучению оказались микобактерии — Mycobacterium cyaneum КМ МГУ № 98 и Mycobacterium mucosum КМ МГУ №116, оставаясь жизнеспособными даже при экспозиции 10 минут, то есть реагировали на облучение после длительной обработки (5-10 минут). Только через 15 минут воздействия эти бактерии оказались наиболее чувствительны. Такую устойчивость микобактерий к воздействию СВЧ излучений можно объяснить, согласно литературным данным, наличием в их клеточной стенке миколовых кислот. Наиболее чувствительными к облучению номинальной мощностью 800 Вт оказались Escherichiae coli К12, Escherichiae coli 354 и Pseudomonas putida КМ МГУ № 95, эффект подавления роста наблюдался уже при 5 минутной экспозиции.

Примечание: 0 – отсутствуют клетки; 1 – очень мало; 3 – мало; 4 – много; 5 – очень много.

Рисунок 4 — Влияние СВЧ-излучений (800 Вт) на сохранение изнеспособности бактерий

У бактерий Bacillus subtilis 534 и Pseudomonas fluorescens ВКПМ № В-350 при 5 минутной экспозиции мы наблюдали снижение индекса выживаемости до 10-20%. Относительно бактерии Rhodococcus erythropolis КМ МГУ №119 можно отметить, что она оказалась более оказалась устойчивой к облучению, чем отмеченные выше бактерии: Escherichiae coli К12 (АТСС 25922), Escherichiae coli 354, Pseudomonas putida КМ МГУ № 95, Bacillus subtilis 534 и Pseudomonas fluorescens ВКПМ № В-350. Как мы видим из рисунка 6, эффект снижения жизнеспособности на 50% наблюдался при 5 минутной экспозиции, а подавление роста только при 10 минут воздействия СВЧ-излучений. Воздействие СВЧ-излучений номинальной мощностью 400 Вт оказалось не целесообразным, поскольку для достижения эффекта подавления потребовалось более длительное время экспозиции. В результате наших экспериментов были получены несколько неожиданные результаты: вегетативные клетки Rhodococcus erythropolis КМ МГУ №119 оказались более устойчивыми к воздействию СВЧ — лучей, чем споровые. Исходя из литературных данных, этот факт можно объяснить тем, что микроорганизмы, синтезирующие природные пигменты, более устойчивы к микроволновому облучению [120]. Эксперименты по изучению влияния СВЧ-излучений на микроорганизмы цеха убоя птицы показали, что бактерии, яйца глист и простейшие при номинальной мощности 400 Вт погибают через 10 минут и через 5 минут при номинальной мощности 800 Вт. Для уничтожения простейших оказалась достаточная 3-5 минутная экспозиция (таблица 13).

Таблица 13

Влияние СВЧ-излучений на выживаемость микрофлоры в надиловой жидкости от времени экспозиции

Примечание: 0 – отсутствуют клетки; 1 – очень мало; 3 – мало; 4 – много; 5 – очень много.

Таким образом, изучение влияния СВЧ-излучения на сохранение жизнеспособности у чистых музейных бактериальных культур показало зависимость эффекта воздействия от таксономического положения, биохимической активности и образования пигментов. Для получения стабильного бактерицидного эффекта важно учитывать дозу и время экспозиции. СВЧ -энергия номинальной мощности 800 Вт оказывает губительное воздействие на бактерии сточных вод локальных очистных сооружений цеха убоя птицы родов Pseudomonas, Proteus, Esherichia, Micrococcus, Staphylococcus при экспозиции 5 минут. Mycobacterium cyaneum КМ МГУ № 98 и Mycobacterium mucosum КМ МГУ №116 оставались жизнеспособными после достаточно длительной обработки (5-10 минут). СВЧ-энергия губительно воздействует на бактерии, яйца глист, содержащихся в иловом осадке очистных сооружений: при номинальной мощности 400 Вт через 10 минут, а при номинальной мощности 800 Вт их гибель наступает уже через 5-7 минут. Для уничтожения простейших оказалась достаточная 3 минутная экспозиция.

В результате подбора активных деструкторов загрязнителей сточных вод скотобоен, использования эффективного процесса биосорбции металлов на биомассе гриба, подбора коагулянта, физических методов обезвреживания сточных вод от патогенных бактерий и простейших организмов была получена очищенная от органических загрязнителей, хлоридов, тяжелых металлов, патогенных микроорганизмов сточная вода боен, по химическим и санитарным нормам.

Состав исходной и очищенной сточной воды цеха убоя свинофермы и после очистки консорциумом аборигенных микроорганизмов представлен в таблице 14.

Таблица 14

Состав исходной сточной воды цеха убоя свинофермы и после

очистки консорциумом аборигенных микроорганизмов .

Обязательным приемом, предшествующим заключению о пригодности сточной воды скотобоен для орошения является проверка токсичности сточной воды на проращивание семян. Проверка токсичности сточной воды для орошения определялась на проращивании семян люцерны изменчивой сорта «Виктория», кукурузы «Катерина» и ячменя «Оренбургский совместный ». Семена ячменя, люцерны и кукурузы предварительно замачивали в течение 24 часов в воде водопроводной, в исходной воде убойного цеха свинокомплекса, недоочищенной воде и очищенной предлагаемым нами консорциумом микроорганизмов, с последующей доочисткой коагулянтом МагТрит-С, Результаты представлены в таблице 12. Наиболее эффективной, в условиях данного опыта, оказалась вода водопроводная и очищенные сточные воды убойного цеха свинокомплекса. На второй день после замачивания количество проросших семян люцерны в контроле (вода водопроводная составило 76%, а в опыте при замачивании очищенной сточной водой 88% проросших семян. Исходные и недоочищенные стоки оказывали токсичное воздействие на семена люцерны , в этих вариантах количество проросших семян составляло 4% и 35% соответственно Особенно большие различия отмечались на третьи сутки роста, в когда количество проросших семян люцерны в контроле и в опыте с очищенными стоками составило 100 %, а замачивание в неочищенной воде и в контроле не превышало 30% и 70% соответственно. Аналогичные данные были получены с ячменем и люцерной (таблица 15).

Таблица 15

Влияние сточной воды убойного цеха свинокомплекса на проращивание семян кормовых культур

Таким образом, в процессе проведенных исследований была проанализирована деятельность биологических очистных сооружений цеха убоя скота одного из свинооткормочных предприятий с целью определения дальнейшего использования очищенных сточных вод для орошения сельскохозяйственных полей. Оценка состава промышленных сточных вод показала, что они характеризуются высокими величинами БПК, ХПК (данные цеховой лаборатории); наличием фосфатов, хлоридов; тяжелых металлов, превышением ПДК, также сточная вода содержала жиры и белки в достаточно больших концентрациях. Такие стоки не соответствуют требованиям, предъявляемым для спуска в водоемы рыбного и хозяйственного назначения. С целью повышения эффективности работы очистных сооружений были изучены режимы аэротенков, качественный и количественный состав активного ила. Активный ил характеризуется следующими показателями: иловый индекс, возраст ила, микробиальный состав. Анализ показал, что биологические очистные сооружения не обеспечивают достаточную очистку по следующим показателям: ХПК, БПК, взвешенным частицам, содержанию азота, жиров, фосфатов, хлоридов, тяжелых металлов. В связи с этим был проведен тщательный микробиологический анализ активного ила. Активный ил очистных сооружений представляет собой сложный ценоз, состоящий из бактерий, грибов, дрожжей и простейших. Родовой состав бактерий мало разнообразен. Мы обнаружили, что нередко в активном иле встречались представители патогенных бактерий Micrococcus, Staphylococcus, бактерии кишечной группы. В активном иле были обнаружены группы простейших, свидетельствующих о недостаточной очистке стоков. Из микробиоценоза активного ила биологических очистных сооружений выделены наиболее активные деструкторы загрязнителей, устойчивые к содержанию тяжелых металлов, проведена их идентификация. Enterococcus casseliflavus Lactobacillus paracasei, Stenotrophomonas rhizophila, устойчивые к содержанию хлоридов в сточной воде. Выделенные нами культуры активных деструкторов были проверены на устойчивость к алюминию, кобальту и меди в концентрациях, выше ПДК рыбохозяйственных водоемов в 10 раз. Воздействие тяжелых металлов оказалось губительным для бактерий активного ила.

В то же время при сокультивировании с теми же металлами Stenotrophomonas rhizophila., выделенных из активного ила биологических очистных сооружений, отмечалась устойчивость ассоциации к металлам. Поступление на биологическую очистку жиров в количествах, превышающих 50 мг/л препятствует поступлению кислорода к микроорганизмам за счет образования вокруг хлопков активного ила жировой пленки, эффективность очистки стоков снижается.

В результате использования штамма микроскопического гриба Hypomyces odoratus 94/77 происходит прирост биомассы гриба уже через 16-24 часа роста за счет потребления жиров, о чем можно судить по значениям снижения показателей ХПК и содержания жира.

Также при очистке сточных вод стоит проблема удаления тяжелых металлов, избыточного количества фосфора, сульфатов, присутствие которых даже в незначительных количествах недопустимо для использования таких вод для орошения сельскохозяйственных и иных угодий.

Нами было обнаружено свойство биомассы микроскопического гриба Hypomyces odoratus адсорбировать тяжелые металлы

Целесообразным является использование природных компонентов, например, таких как продукт компании ООО «РГХО».

Использоввание в белой водной суспензии гидроксида магния, под названием МагТрит-С, в концентрации 350 мг/дм³ очищаемых стоков в качестве коагулянта на последнем этапе биологической очистки привело к улучшение функционирования вторичных отстойников, обеспечило хорошо осажденный осадок активного ила, прозрачную очищенную сточную воду, в которой отсутствовали патогенные микроорганизмы, содержание сульфатов, фосфатов, азота , жиров, показатели ХПК и БПК₅ соответствовали требуемым нормам для использования сточных вод для орошения сельскохозяйственных полей.

Выводы

Определение состава стоков скотобоен при существующих традиционных методах очистки показало, что они характеризуются высокими показателями ХПК,БПК. содержанием трудноразлагамых органических соединений, высоким содержанием тяжелых металлов, наличием условно-патогенных микроорганизмов, что дает основание считать их непригодными на земледельческих полях орошения.

Анализ качественного и количественного состава активного ила на традиционных биологических очистных сооружениях показал, что родовой состав бактерий – дестукторов малоразнообразен, часто встречаются представители условно-патогенных бактерий и простейших.

В результате проведенных исследований из числа аборигенной микрофлоры, выявлены наиболее активные деструкторы загрязнителей сточных вод использование которых на локальных биологических очистных сооружениях скотобоен и предприятий мясоперерабатывающей промышленности, содержащих высокие концентрации органических веществ, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы, патогенные микро-организмы обеспечивает очищение стоков до нормативов для орошения сельскохозяйственных культур.

Установлена эффективность удаления тяжелых металлов. патогенных микроорганизмов и простейших под воздействием природного коагулянта «МагТрит-С» и СВЧ-излучения.

Полученная в результате экспериментов очищенная сточная вода не содержала токсичных элементов, а также патогенных микроорганизмов, оказывала бла-гоприятное воздействие на энергию прорастания, длину главного корня и проростка рас-тений люцерны, кукурузы и ячменя.

Установлено, что влияние СВЧ-излучения на сохранение жизнеспособности бактериальных, грибных культур и простейших зависит от таксономического положения, биохимической активности и образования пигментов.

Полученная в результате экспериментов очищенная сточная вода не содержала токсичных элементов, а также патогенных микроорганизмов, оказывала благоприятное воздействие на энергию прорастания, длину главного корня и проростка растений люцерны, кукурузы и ячменя.

Рекомендации производству Рекомендовано для цехов убоя скота на предприятиях вести локальную очистку сточных вод, с использованием предлагаемого нами консорциума микроорганизмов, использование в качестве коагулянта гидроксид магния МагТрит-С, целесообразно на локальных очистных сооружениях использование СВЧ –излучений для обеззараживания сточной воды и илового осадка с целью дальнейшего их использования на земледельческих полях орошения.

Список использованных литературных источников

1. Бренч, А.А. Технологии переработки продукции животноводства. ч. II Переработка мяса и производство мясной продукции / А. А. Бренч, И. Е. Ветров, В. С. Дацук. – Минск: Наука, 2015. — 272 c.
2. Иванченко, О.Б. Токсические свойства сточных вод мясоперерабатывающего предприятия / О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин // Известия ВУЗов. Пищевая технология. — 2006. — № 4.- С. 114–116.
3. Скориков, В.Т. Изучение использования сточных вод на орошение в условиях Йемена /В. Т. Скориков, А. В. Шуравилин, С. А. Койка, Е. А. Пивень // Агрохимический вестник.- 2012. -№ 2.- С. 38–40.
4. Брындина, Л.В. Перспективное использование осадков сточных вод в экологическом земледелии /Л. В.Брындина, К. К. Полянский, О.В. Бакланова // Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение.- 2018.- С. 337–341.
5. Вихрева, Д.Р. Санитарно-гигиеническая оценка использования сточных вод на орошение /Д. Р. Вихрева, Д. Д. Гамазина // Современный взгляд на будущее науки: сборник статей. -2015. -С. 214–216.
6. Гарипова, Р.Ф. Практика устройства земледельческих полей орошения как способ утилизации хозяйственно-бытовых, промышленных стоков и проблема техногенного загрязнения / Р.Ф. Гарипова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета.- 2006.- № 23.- С. 206–219.
7. Ильдеспаева, Д. Е., Очистка сточных вод мясокомбината / Д.Е. Ильдеспаева, Н. Н. Рахимова // Перспективы развития пищевой и химической промышленности в современных условиях. — 2019.- С. 297–301.
8. Панова, И.И. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих производств / И.И. Панова , И.Н. Нойберт // Мясные технологии. 2014. № 5. С. 44–45.
9. Домашенко, Ю. Е. Аспекты ресурсосбережения при орошении сельскохозяйственных угодий / Ю. Е. Домашенко //Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: сб. науч. тр. /ФГБНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: Геликон, 2013. – Вып. 51. – С. 49-52.
10. Shirokova, Y. The problems of pollution water-sources in the Republic of Uzbekistan / Y. Shirokova, S.Mamatov, T. Dermoyan //2nd International Toxic Algae Control Symposium.- Tsukuba Japan, 2002.- P. 20-22.
11. Желязко, В.И. О пригодности сточных вод предприятий агропромышленного комплекса для удобрительного орошения /В.И. Желязко //Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии.- 2018.- № 1.- С. 122–130
12. Белоусова, Н.И. Способы снижения техногенного влияния мясожирового производства на окружающую природную среду Н.И. Белоусова, Н.Ф.Панков , Т.А. Мануйлова // Все о мясе.- 2007.- № 3.- С. 43–46.
13. Иванченко, О.Б. Токсические свойства сточных вод мясоперерабатывающего предприятия / О.Б. Иванченко, Р.Э. Хабибуллин // Известия ВУЗов. Пищевая технология.- 2006. -№ 4.- С. 114–116.
14. Сатыбалдиева, Д.К. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий /Д.К. Сатыбалдиева, Ж.Б. Намазбекова // Вестник КГУСТА. -2014.- № 4. -С. 77–79.
15. Свинцов, И.П. Рациональное использование водных ресурсов при орошении сельскохозяйственных культур сточными водами / И.П. Свинцов, Д.П. Гостищев // Использование и охрана природных ресурсов в России. — 2008.- № 5 (101- С. 47–50.
16. Стукановская, Е.В. Патентные исследования по очистке сточных вод мясокомбинатов / Е.В. Стукановская, С.В. Степанов С. В. //Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Самара: Строительные технологии, 2017. — С. 193–195.

17. Субботина, Ю.М. Очистка и обеззараживание сточных вод мясокомбинатов /Ю.М. Субботина // Социальная политика и социология. -2010. -№ 9.- С. 145–156.

18. Биотехнологическое направление в решении экологических проблем /Н.Н.Соловых, Е.В. Левин, Г.В. Петухова: монография.- Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 295 с.

19. Зуева, С.Б. Технологические схемы очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий / С.Б. Зуева, Н.М. Ильина, О.А. Семенихин, А.А. Епифанова, Л.Г. Петухова // Вестник ВГТУ-. 2009. -№ 1. -С. 51–53.

20. Алиева, Р.М. Микробиологические аспекты очистки промышленных сточных вод / Р.М. Алиева.- М.: Наука, 1987.- 360с.

22. Aziz, A. Biological wastewater treatment (anaerobic-aerobic) technologies for safe discharge of treated slaughterhouse and meat processing wastewater /А. Aziz, F. Basheer, A. Sengar, S. U. Khan, I. H. Farooqi //Science of the total environment.- 2019. –V. 686.- P. 681–708.

23. Киселева, М. Г. Современные сооружения естественной биологической очистки (БОКС-пруды) для утилизации сточных вод /М.Г. Киселева, Ю.М. Субботина // Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии.- 2011.- № 2.- С. 72–74.

24. Ламм, Э. Л. Комплексная переработка отходов скотобоен / Э.Л. Ламм, Н. А Баер // Мясные технологии.- 2010.- № 2. — С. 56–58.

25.Чудакова, О.Г. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий /О.Г. Чудакова , А.В. Желавицкая //Вестник технологич. ун-та.- 2016.-Т.19.- № 22.- С.182-186.

26. Яковлев, С.В. Биологические процессы в очистке сточных вод /С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина.- М.: Стройиздат,1980. — 225с.

27. Липеровская, Е.С. Индикаторные организмы активного ила на сооружениях биологической очистки /Е.С. Липеровская, Л.А. Исаева, О.Е. Лагунова //Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод.- М.: Стройиздат., 1980. — 154 с.

28. Карелин, Я.А. Очистка производственных сточных вод в аэротенках Я.А. Карелин, Д.Д. Жуков, В.Н. Жуков.- М.: Стройиздат, 1973.- 351с.

29.Кульский Л.А. Проблемы чистой воды /Л.А. Кульский, В.В. Даль.- Киев: Наука, 1974.- 130 с.

30. Левин, Е.В. Новые технологии в интенсификации биологической очистки сточных вод от анилина /Е.В. Левин //Экология и промышленность России.- 2015.- Т.19.- №8.-С.10-14.

31. Роговская, Ц.И. «Биохимический метод очистки производственных сточных вод» Ц.И. Роговская.- М.: Стройиздат, 1967. — 205 с.

32. Эпов, А.Н. Очистка сточных вод предприятий агропромышленного комплекса /А.Н. Эпов, М.А. Канунникова //Философия выбора.-2015.- №1.- С. 51-59.

33. Степанов, С. В. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий /С.В.Степанов, Т.В.Соколова, Ю. Е. Сташок, А.С. Степанов // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре, Самара: Строительные технологии, 2017. — C. 259–262.

34. Лучицкая, О.А. Воздействие осадков сточных вод на почву и растения /О.А.Лучицкая, С.М.Севостьянов //Агрохимия. -2007. — № 9. -С. 80–84.

35. Тиньгаев, А.В. Перспективы использования органических отходов для повышения плодородия почв Алтайского края /А.В.Тиньгаев // Агрохимический вестник.- 2010.- № 2.- С. 34–36.

36. Калюжный, C.B. Анаэробная биологическая очистка сточных вод /С.В. Калюжный, Д.А.Данилович, А.Н. Ножевникова //Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология.-М., 1991. — T. 29.- С. 35 — 39.

37. Логинов О.Н., Силищев H.H., Бойко Т.Ф., Галимзянова Н.Ф. Биотехнологические методы очистки окружающей среды от техногенных загрязнений /О.Н. Лог инов, Н.Н. Силищев, Т.Ф. Бойко, Н.Ф. Галимзянова Уфа: Реактив. — 2000.- 99 с.

38. Новохатко, Т.Н. Технологии биоферментной очистки сточных вод пищевых предприятий //Материалы III Международной научно- техн. конф.: Наука, образование, производство в решении экологических проблем Т.Н. Новохатко, А.М. Михельсон. — Уфа.: НИИ БЖД РБ, 2006. — Т. 2.- С. 79-81.

39. Нуртдинова, Л.А. Окисление растительных и животных жиров микроорганизмами биопрепарата «Ленойл» //Материалы XVII Международной научн-техн. конф.: Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии / Л.А. Нуртдинова, С.П. Четвериков, Н.Н. Силищев, О.Н. Логинов. — Уфа: Реактив. — 2004.- С. 60-61.

40. Яковлев, C.B. Водоотведение и очистка сточных вод /С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов.- М.: Ассоциации строительных вузов, 2004. — 704 с.

41. Субботина, Ю. М. Методы очистки и обеззараживания сточных вод скотобоен и мясокомбинатов /Ю.М. Субботина // Экологический вестник Северного Кавказа. — 2011. Т. 7.- № 2. — С. 37–41.

42. Леонов, В.Е. Технология очистки сточных вод: учеб. Пособие /В.Е. Леонов. — Новосибирск: НГАВТ, 2001. — 116 с.

43. Киселева, М.Г. Современные сооружения естественной биологической очистки (БОКС-пруды) для утилизации сточных вод М.Г. /Киселева, Ю.М. Субботина // Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии.- 2011-. № 2. — С. 72–74.

44. Авакян, З.А. Сравнительная токсичность тяжелых металлов для некоторых микроорганизмов /З.А. Авакян //Микробиология.- 1967, — Т. 36, № 6 – С. 446-450.

45. Фрумин, Г.Т. Экологическая химия и экологическая токсикология /Г.Т. Фрумин, 2002.- СПб: РГГМУ. – 204 с.

46. Эльбекьян, К.С. Экологическая и экспериментальная характеристика токсичности тяжелых металлов и оценка возможного антитоксического механизма: автореф. дисс. … д-ра биол. наук: 03.00.16 /Карине Сергеевна Эльбикян; СГУ.- Саратов.- 2008 .- 35 с.

47. Борисенко, Е.Г. Разработка комплексной технологии белковых препаратов на основе нетрадиционного сырья и дрожжей /Е.Г. Борисенко .- М.: МГУ.- 1990. — 474 с.

48. Использование иммобилизированных клеток бактерий при очистке сточных вод от шестивалентного хрома / Квасников Е.М. и др. // Микробиология. – 1986. – Т. 48. – № 6. – С. 39-44.

49. Зигель, Х Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Зигель Х, Зигель. А – М.: Мир, 1993. – 368 с.

50. Илялетдинов, А.Н. Микробиологическая очистка воды от тяжелых металлов / А.Н. Илялетдинов // Водные ресурсы. – 1980. – №2. — С.158-169.

51. Святохина, В.П. Исследование реагентного метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. дисс. к.т.н. / Святохина Виктория Петровна, 2002. – 164 с.

52. Плакунов, Микробные биопленки: перспективы использования в очистке сточных вод / Плакунов, Ю.А. Николаев // Вода: химия и экология. – 2008. — № 2. – С. 11-13.

53. Суторкин, А.Т. Технологические и экологические основы биосорбционных процессов очистки сточных вод. авторферат дис. на соиск. уч степ. докт.техн.наук / А.Т. Суторкин, 2003.- 40 с.

54. Биосорбция тяжелых металлов на микробной биомассе – перспективное направление в очистке промышленных сточных вод / Е.В. Левин, А.Д. Буракаева, Р.Ф. Сагитов, Т.С. Ковтунова // Водоочистка. – 2014. – № 11. – С. 30-37.

55. Gadd, G.M. Microbial treatment of metal pollution – a working biotechnology? / G.M. Gadd, C. White // Trends Biotechnol. 1– 993.-V.11. — № 8. – P.353-359.

56. Илялетдинов, А.Н. Микробиология и биотехнология очистки промышленных сточных вод / А.Н. Илялетдинов, Р.М. Алиева. — А-Ата: Гылым, 1990. — 250 с.

57. Гаранин, Р.А. Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae: автореф. дисс.. на соиск. уч. степ. канд. биол. наук. /Гаранин Роман Анатольевич. – МГУ.- Москва, 2011. – 24 с.

58.Эффективность применения биомассы Hypomyces rosellus – отхода получения красителя – в очистке сточных вод от тяжелых металлов / А.Д. Буракаева, Е.В. Левин, Р.Ф., Сагитов, Т.С. Ковтунова // Экология и промышленность России. – 2015. – Т.19. –№1. – С.14-16.

60. Яковлева, А.В. Технологические и биохимические аспекты биологического контроля процессов очистки металлосодержащих сточных вод / А.В. Яковлева, А.А. Халилова, А.С. Сироткин // Материалы международной молодежной конференции Экологические проблемы горнопромышленных регионов. – 2012 г. –С. 407-408.

61.Сироткин, А.Т. Технологические и экологические основы биосорбционных процессов очистки сточных вод. авторф. дис. докт. техн. наук / Александр Семенович Сироткин, 2003. – 40 с.

62. Изучение сорбирующей способности биомассы микроорганизмов по отношению к некоторым радионуклидам / М.П. Ховрычев, И.Ю. Мареев, В.Ф. Помыткин // Микробиология. –1994. –Т.63. –вып. 1. – С. 145-151.

63.Очистка промышленных сточных вод от тяжелых цветных металлов с помощью биосорбентов / В.И. Захарова, А.А. Игнатьев, А.А. Кореневский и др. // Прикладная биохимия и микробиология. – 2001. – Т.37. – 4. – С.405-412.

64 Алейник, С. Н. Внутрипочвенное орошение сточными водами и плодородие почвы / С. Н. Алейник, М. С. Григоров, С. М. Григоров // Плодородие. – 2007. – № 1 (34). – С. 31–32.

65. Сельскохозяйственное использование сточных вод как перспективное направление их утилизации / С. Н. Волкова, Е. Е. Сивак, И. В. Панченко // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. – 2009. –№ 3. – С. 66–69.

66. Влияние круглогодового использования сточных вод на агрохимические и агрофизические свойства черноземов/ Н. И. Алешина, С. В. Макарычев, А. А. Томаровский // Вестник АГАУ. – 2013. –№3 (101). – С. 32–37.

67. Давыдов А.С. Удобрительная ценность сточных вод убойного цеха птицеводческого комплекса / А.С. Давыдов, В.Б. Шепталов // Вестник АГАУ. – 2011. –№ 9. – С. 22–24.

68. Баринов, А.А. Перспективы орошения сточными водами /А.А. Баринов, Л.И. Карадаян, С.В. Бурлака // Фундаментальные и прикладные исследования в науке и образовании. – Таганрог, 2019. – С. 195–197.

69. Шепталов, В.Б. Подготовка сточных вод и режим орошения сельскохозяйственных культур в условиях лесостепной зоны Челябинской области: автореф. дис. … канд. с.-х. наук. / Вячеслав Борисович Шепталов.- Барнаул. – 2011. – 17 с.

70. Формирование, очистка и использование сточных вод / П. И. Белоконь, С. И. Белоконь, И. А. Юсупов, Ю. А. Титова // Наука, новые технологии и инновации Кыргызстана. – 2017. – № 3. – С. 36–39.

71. Современные возможности утилизации осадков сточных вод / Л. В. Брындина, К. К. Полянский, Д. С. Лазарев // Вестник российских университетов. – Математика. – 2016. – № 1. – С. 297–301.

72.Волкова, Н. Е. Использование очищенных сточных вод в Крыму: опыт прошлого, реалии настоящего / Н.Е. Волкова, Р.Ю. Захаров // Научный журнал РосНИИПМ. – 2017. – № 3 (27). – С. 144–159.

73. Джайсамбекова, Р.А. Влияние орошения сточными водами на инфильтрацию, солевой состав почв и урожайность кормовых культур / Р.А. Джайсамбекова // Наука и мир. – 2017. – Т. 1. –№ 10 (50). –С. 55–58.

74.Видякин, М.Н. Особенности внедрения мембранных биореакторов для обработки сточных вод / М.Н. Видякин, С.А. Гарипова // Экология производства. – 2014. – № 14. – С. 61–68.

75. Влияние круглогодового использования сточных вод на агрохимические и агрофизические свойства черноземов / Н.И. Алешина, С.В. Макарычев, А.А. Томаровский // Вестник АГАУ. – 2013. – №3 (101). – С. 32–37.

76. Экологические проблемы охраны окружающей среды при орошении сточными водами и животноводческими стоками / Д. П. Гостищев, Н. В. Хватыш, Д.С. Валиев // Научный журнал РосНИИПМ. – 2016. – № 3 (23). – С. 238–250.

77. Экологические проблемы охраны водных ресурсов от загрязнения сточными водами и животноводческими стоками / Д.П. Гостищев, А.О. Хуторова, В. А. Широкова // Природообустройство. – 2013. –№ 3. – С.18-24.

78. Захарова, О. А. Изменение направления эволюции серых лесных почв в результате длительного орошения сточными водами / О.А. Захарова, К.Н. Евсенкин // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А Костычева. – 2011. – № 1. – С. 39–42.

79. Расчет норм минеральных удобрений, вносимых при орошении сточными водами / С.Н. Волкова, Е.Е. Сивак, И.В. Панченко // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. – 2009. – № 4. – С. 53–55.

80. Формирование, очистка и использование сточных вод/ П.И. Белоконь, С.И. Белоконь, И.А. Юсупов, Ю.А. Титова // Наука, новые технологии и инновации Кыргызстана. – 2017. – № 3. – С. 36–39.

81. Вихрева, Д.Р. Санитарно-гигиеническая оценка использования сточных вод на орошение/ Д.Р. Вихрева, Д.Д. Гамазина // Современный взгляд на будущее науки: сборник статей. – Уфа, 2015. – С. 214–216.

82. Патент РФ № 2687340 Средство для зашиты сельскохозяйственных растений от фитопатогенных микроорганизмов. /Буракаева А.Д., Петрова Г.В., Егоров Н.С., Ахметова В.Р., Шангараева Г.С., Шангараев К.Р., Филлипова А.В., заявл. 28.08.2017 г., опубл. 13.05.2019 г. бюл. 14.

83. Практикум по микробиологии: учебн. пособ. для студ. высш. учеб. Заведений / А.И. Нетрусов, Л.М. Захарчук и др. –Москва: Академия, 2005. – 608 с.

84. Буракаева, А.Д. Основы общей микробиологии: учеб. пособие / А.Д. Буракаева. – Оренбург, 2014. – 160 с. – ISBN 978-5-905383-16-8.

85. Егорова, Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии: учеб. пособие / Н.С. Егорова. – Москва: МГУ, 1983. – С. 143-145.

86. Irmis, M.A Guide to methods and applications/ Irmis M.A., Gelfand D., Sninsky J. // PCR Protocols.- 1998.-p.14-15.

87. Pavlicek A., et al. Fre-Tree-freeware program for construction of phylogenetic trees on the basis of distance data and bootstrap jackknife analysis of tree robustness. //Application in the RAPD analysis of genus Frenkelia Folia Biol (Praha).- 1999.- V. 45(3).- C. 97-99.

88. Смирнова, И.Р. Теоретическое обоснование, усовершенствование и разработка мероприятий, направленных на оптимизацию технологий естественной биологической очистки сточных вод с возможностью использования их на орошение и рыборазведение: дисс…уч. степ. док. вет. наук по спец. 16.00.06 – ветеринарная санитария и экология / Ирина Робертовна Смирнова -Москва.- 1997.- 341 с.

89. Твердофазное и поверхностно-мембранное жидкостное культивирование микромицетов, особенности их развития и образования ферментов / Осмоловский. А.А., Баранова Н. А., Крейер В. Г. и др. // Прикладная биохимия и микробиология. – 2014. –Т.50. –№3. – С. 245–255.

90. Sarocladium strictum – перспективный продуцент протеолитических ферментов с выраженной фибринолитической активностью/Е.И. Корниенко, Л.Ю. Кокаева, Е.Н. Биланенко и др. //Микология и фитопатология.- 2020.- Т.54. –№ 3. – С.206-213.

91. Termostable alkaline proteaseprodaced by Bacillus termoruber-new specles of Bacillus. / Manachini P.L., Fortina M.G., Parini C. //Appl.Microbiol.Biotechnol. – 1988. – № 28(4/6). – С. 409-413

92. Филиппович, Ю.Б. / Практикум по общей биохимии/ Ю.Б. Филлипович, , Т.А. Егорова, Г.А. Севастьянова. — Москва: Просвещение, 1982.- 420 с.

93.Методика выполнения измерений содержаний взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очищенных сточных вод гравиметрическим методом, ПНД Ф 14.1:2.110-97. – Москва, 1997г.

94.Методические указания. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в водах РД 52.24.421 – 95. – Ростов-на-Дону, 1995г.

95. Методика выполнения измерений биохимической потребности кислорода после n-дней инкубации в поверхностных пресных, подземных, питьевых сточных и очищенных сточных водах. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97. – Москва, 1997. – 60 с.

96. Жмур, Н.С. Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контроля процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками/ Н.С. Жмур. – ПИДФ СБ 14.1.77-96. –70 с.

97. Краткий определитель бактерий Берги под ред. Дж.Холулта М., 1986. –494с.

98. Гвоздяк, П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды./П.И. Гвоздяк // Химия и технология воды. – 1989. – Т.11. – № 9. – С.854-859.

99.Количественный химический метод анализа вод ПНД Ф.14.1:2:3:4, 123-97 ШФР.1.31.2007.03.796. – Москва, 2007.

100. Методика выполнения измерений биохимической потребности кислорода после n-дней инкубации в поверхностных пресных, подземных, питьевых сточных и очищенных сточных водах. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97. Москва, 2003г. – 80 с.

101. Байбордин, А.М. Локальная очистка сточных вод целлюлозо-бумажных предприятий методом коагуляции: автореф. дисс…..канд. техн. Наук:05.21.03/Артем Михайлович Байбородин; АГУ.- Архангельск.-2014.- 30 с.

102. Карюхина, Т.А. Химия воды и микробиология /Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова — М: Стройиздат, 1983.- 167 с.

103. Карюхина, Т.А. Контроль качества воды /Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова — М: Стройиздат, 1986. — 180 с.

104. Наумов, И. И. Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в Вузе. /И.И. Наумов//Основы технологии биосорбционного извлечения тяжелых металлов при обработке осадков сточных вод, -2012. – С. 51-56.

104. Liu, Y. Y. Origin, nature, and treatment of effluents from dairy and meat processing factories and the effects of their irrigation on the quality of agricultural soils /Y. Y Liu, R. J. Haynes // Critical Reviews in Environmental Science and Technology.- 2011. –V. 41- № 17. — P. 1531–1599.

105. Ахмедова, О.О. Повышение эффективности локальных очистных сооружений сточных вод за счѐт применения комбинированных электрофизических методов воздействия /О.О. Ахмедова, С.Ф. Степанов, А.Г. Сошинов, К.Н. Бахтиаров //Современные проблемы науки и образования. — 2009. — № 5. — 261 с.

106. Gremion, F. Comparative 16S rDNA and 16S rRNA sequence analysis indicates that Actinobacteria might be a dominant part of the metabolically active bacteria in heavy metal-contaminated bulk and rhizosphere soil /F. Gremion F., A. Chatzinotas, H. Hauke // Environ. Microbiol. — 2003. V. 5, № 10. – P. 896-907.

107. Petanen, Т. Toxicity and bioavailability to bacteria of particle-associated arsenite and mercury / Т. Petanen, M. Romantschuk // Chemosphere]. — 2003. – V. 50, № 3. — С 409413.

108. Pavlicek, A.. Fre-Tree-freeware program for construction of phylogenetic trees on the basis of distance data and bootstrap jackknife analysis of tree robustness. A. Pavlicek //Application in the RAPD analysis of genus Frenkelia Folia Biol (Praha). — 1999.- V. 45 (3). — C. 97 — 99.

109. Рогожин, В. В. Практикум по физиологии и биохимии растений: учеб. Пособие /В.В. Рогожин, Т.В. Рогожина .- СПб: ГИОРД, 2013. 352 с.

110. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) /Б.А. Доспехов.- М.: Книга по Требованию, 2012. — 352 с.

111. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружения с аэротенками /Н.С. Жмур.- М.:АКВАРОС, 2003.- 506 с.

112. Архипченко, И.А. Микробиологические основы безотходной технологии переработки стоков свинооткормочных комплексов: автореф. дисс. …докт. биол. наук: 03.00.12 / Ирина Александровна Жмур.- ЛГУ.- Ленинград- 1991.- 35 с.

113. Белопольский, Л.М. Интенсификация работы сооружений биоло­гической очистки сточных вод предприятий агропромышлен­ного комплекса : автореф. дисс…. канд. техн. наук / Леонид Михайлович Белопольский – ВНИиТИБП. —

Кашинцево (Моск. обл.). — 2005. — 25 с.

114. Fukumoto, Y. Advanced treatment of swine wastewater by electrodialysis with a tubular ion exchange membrane /Y.Fukumoto, K. Haga //Anim. Sci. J. — 2004. – V. 75.- № 5. — С 479 – 485.

115. Сафронов, Р.В. Интенсивная малоотходная система биоде­струкции загрязнений высококонцентрированных стоков : автореф. дисс. … канд. техн. наук / Р.В. Сафронов.- РХТУ. — Москва. — 2004. — 19 с.

116. Гапоненков, И.А., СВЧ-обработка осадков сточных вод пищевых производств / И.А. Гапочникова, О.А. Федорова //Вестник МГГУ, 2011.- Т.16. — №4. — С. 681 — 686.

117. Комарова, А.С. Влияние микроволнового излучения на почвенные бактерии: автореф. дисс…..канд. биол. наук: 03-00-07, 03-00-27 /Анастасия Сергеевна Комарова. — МГУ.- Москва. — 2008. — 19 с.

118. Федорович, Г.В. Экологический мониторинг электромагнитных полей /Г.В. Федорович. — М.: Стройиздат . — 2004.- 140 с.

119. Асланян, Р.Р. Взаимодействие живой системы с электромагнитным полем /Р.Р. Асланян, С.В. Тульская, А.В. Григорян, Е.С. Бабусенко //Вестник Моск. Ун-та.-Сер.16 Биология. — 2009. — №4. — С.20 — 23.

120. Гапочка, Л.Д., Гапочка М.Г., Дрохакина Т.С., Исакова Е.Ф. Эффекты облучения культуры Daqfnia magna на разных сталиях развития электромагнитным полем миллиметрового диапазона низкой интенсивности /Л.Д.Гапочка, М.Г. Гапочка, Т.С. Дрохакина, Е.Ф. Исакова //Вестник Моск. Ун-та.- Сер.16 Биология.-2012. — № 2.- С.43-47.

Список опубликованных работ по теме:

Scopus, Web of Science

1.Буракаева, А.Д., Повышение эффективности очистки сточных вод предприятий с одновременным получением биоПАВ для нефтяной отрасли/ Петрова Г.В., Хлытчиев А.И., Ахалаиа Н.А., Сорокун С.В., Баширова З.А. //Экология и промышленность России.2020.Т.24.№2.С.41-45. DOI: 10.18412/1816-0395-2020-2-41-45

2. Петрова,Г.В. Повышение эффективности биологической очистки убойного цеха стоков птицефабрики / Г.В. Петрова, А.Д. Буракаева Е.В. Левин, С.В. Сорокун //Экология и промышленность России, 2020 (принята в печать).

RCSI

1. Буракаева, А.Д. Перспективы использования Hypomyces odoratus для получения фунгицидного препарата на отходах животноводства /А.Д. Буракаева, Г.В. Петрова // Достижения науки и техники АПК.- 2020. -Т. 34. -№ 12.- С. 33–38. doi: 10.24411/0235-2451-2020-11205.

4. Буракаева, А.Д. Очистка стоков скотобоен от ионов металлов путем биосорбции на биомассе микроскопического гриба /А.Д. Буракаева, Г.В. Петрова //Вестник КрасГАУ, 2020 (принята в печать).

Заявка на изобретение

1. Буракаева, А.Д. Способ очистки жиросодержащих сточных вод /А.Д. Буракаева, Г.В. Петрова. – Заявка на изобретение № 2020137797 от 17.11.2020 г.

Участие в конференциях

1. Петрова, Г.В. Проблемы утилизации стоков предприятий мясопереработки / Г.В. Петрова // Материалы Международного научно-практического форума «ASU SciTech Forum 2020», 12 — 13 ноября 2020 г. в Алтайском государственном университете (г. Барнаул, Россия).
2. Петрова, Г. В. Проблемы утилизации отходов птицеводства /Г.В. Петрова. — ЦПО «Парадигма. 83-ая международная форум «Обращение с органическими отходами. Опыт и перспективы». — 20-21 октября 2020 г. — Москва.

Реферат

Отчет содержит: 3 раздела,56 страницы, 5 таблиц, 8 рисунков, 61 литературных источников.

В настоящее время вопрос восстановления почвенного плодородия в нашей стране стоит особенно остро. За последние 20-25 лет отмечено снижение содержания гумуса по стране на 0,4 % на площади, превышающей 20 млн. га. Для обеспечения бездефицитного баланса гумуса в пахотных почвах России требуется ежегодно 1,5 млрд. тонн органических удобрений в пересчете на подстилочный навоз. Основными видами органических удобрений являются навоз, помет и различные компосты на их основе. Несмотря на высокую питательную ценность навоза и помета объемы использования органических удобрений остаются низкими(менее 1т/га или 10 % от потребности) и не обеспечивают даже простое воспроизводство плодородия пашни. Внесение навоза и помета опасно в связи с наличием возбудителей инфекционных и инвазионных заболеваний человека и животных,нативный навоз содержат семена сорняков, отличаются высоким содержанием аммиака, сероводорода, фенола, меркаптана, солей тяжёлых металлов и других опасных веществ[1].

Цель работы: разработка биотехнологических способов обезвреживания и переработки навоза и помета, а также очистки и детоксикации сточных вод животноводческих ферм и птицеводческих хозяйств.с получением практически ценных продуктов, обеспечивающих повышение урожайности полевых и кормовых культур, их фунгицидную и бактерицидную защиту.

Результаты исследования имеют практическую значимость позволяют повысить эффективность использования органических удобрений, сократить дефицит гумуса и в конечном итоги повысить урожайность возделываемых культур .

Ключевые слова: животноводческие стоки, навоз, биотехнологическая подготовка, аборигенные микроорганизмы, консорциум.

Введение

В настоящее время вопрос восстановления почвенного плодородия в нашей стране стоит особенно остро. По данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, за последние 5 лет вынесено из почвсельскохозяйственных культур в 2,5 раза больше питательных веществ, чем было внесено. За последние 20-25 лет отмечено снижение содержания гумуса по стране на 0,4 % на площади, превышающей 20 млн. га. В большинстве пахотных почв России сложился отрицательный баланс гумуса. Ежегодные потери гумуса в РФ достигают 0,62 т/га, или 81,4 млн т. Наибольшие потери гумуса наблюдаются в республиках, краях и областях, расположенных в степной зоне. Пашня, расположенная в степной зоне, ежегодно теряет 0,8–1,0 т/ га гумуса [2]. Установлено, что снижение содержания в почве гумуса только на один процент приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур на 0,5 ц/га зерновых единиц. Следовательно, ежегодный недобор урожая может составлять не менее 40 млн. тонн зерновых единиц. По расчетам Почвенного института им. В.В. Докучаева, ВИУА, ЦИНАО, ВНИПТИОУ, ВНИИЗиЗПЭ для обеспечения бездефицитного баланса гумуса в пахотных почвах России требуется ежегодно 1,5 млрд. тонн органических удобрений в пересчете на подстилочный навоз.

По данным ФГНУ «Росинформагротех» общее количество отходов в АПК достигает 1500 млн.т., из них сельскохозяйственных отходов — 630-650 млн т. отходы лесо- и деревообработки — 700 млн т., отходы пищевых и пищеперерабатывающих — в среднем 30 млн т в год [3]. Основными видами органических удобрений используемых в сельскохозяйственном производстве являются навоз, помет и различные компосты на их основе. Выход в России навоза и помета во всех категориях хозяйств в пересчете на подстилочный навоз в настоящее время составляет 294 млн. т., или 211 млн. т в пересчете на подстилочный навоз. Навоз содержит большое количество биогенных веществ, которые определяют его как ценное органическое удобрение. Так навоз крупного рогатого скота содержит от 4 до 23% сухого вещества, из них азота – от 2,4 – 6,5 кг/т, фосфора от 0,4 до 1,8 кг/т, калия – от 2,0 до 5,8 кг/т, магния от 0,2 до 0,6 кг/т навоза; свиной навоз от 5 до 25% сухого вещества, в том числе азота – от 6 до 6,8 кг/т, фосфора – от 0,6 до 2,1 кг/т, калия – от 1,7 до 3,6 кг/т, магния – от 0,3 до 0,7 кг/т; птичий помет содержит от 23 до 68% сухого вещества, в том числе азота — от 9,6 до 23 кг/т помета, фосфора — от 2,4 до 12 кг/т, калия – от 3,8 до 11,6 кг/т, магния – от 1,2 до 2,2 кг/т.. Несмотря на высокую питательную ценность навоза и помета объемы использования органических удобрений остаются низкими и не обеспечивают даже простое воспроизводство плодородия пашни. Ежегодное внесение органических удобрений за последние годы составляет менее 1т/га или 10 % от потребности [4]. Внесение навоза и помета в свежем виде в почву без предварительной обработки опасно связи с наличием возбудителей свыше 100 видов инфекционных и инвазионных заболеваний человека и животных (ящур, бруцеллёз, сибирская язва, лептоспироз и др.), яиц гельминтов, плесеней, медикаментозных препаратов [5]. Навоз и помет имеют, как правило, высокую влажность, неприятный запах, содержат семена сорных растений, отличаются высоким содержанием аммиака, сероводорода, фенола, меркаптана, солей тяжёлых металлов и других опасных веществ [6]. Таким образом, являясь ценным органическим удобрением, использование навоза без предварительной подготовки представляет серьезную экологическую опасность для окружающей среды, животных и людей. Ввиду несовершенства технологий, особенно при бесподстилочном способе содержания животных, часть навоза и помета разбавляется водой в 12-14 раз, что значительно осложняет и обработку и транспортировку этих отходов.Дополнительных емкостей, хранилищ, очистных сооружений для сбора и переработки жидких стоков. В результате навоз и помет на фермах накапливается, занимает большие площади, загрязняя грунтовые воды и атмосферу. Неиспользованный навоз и помет сбрасывают в овраги, спускают в водоемы, захоранивают [7]. Перспективными направлениями по утилизации и обезвреживанию отходов животноводства и птицеводства являются развитие российских биотехнологий аэробного и анаэробного биотермического компостирования, при использовании которых отходы органического происхождения обезвреживаются и превращаются в ценное органическое удобрение (биогумус, компост), а также получение биогаза, твердого топлива и производство строительных изделий [8].

Целью работы явилось разработка биотехнологических способов обезвреживания и переработки навоза и помета, а также очистки и детоксикации сточных вод животноводческих ферм и птицеводческих хозяйств с получением практически ценных продуктов, обеспечивающих повышение урожайности полевых и кормовых культур, их фунгицидную и бактерицидную защиту.

Задачами исследований явилось:

1. Выделить наиболее активные деструкторы высокомолекулярных органических соединений из числа аборигенной микрофлоры навоза и помета, провести их идентификацию;
2. Подобрать условия для роста и развития штаммов –деструкторов в условиях непрерывного потока и разработать двух стадийную технологию очистки стоков животноводческих ферм с получением практически ценных продуктов.
3. Подбор микроорганизмов из числа аборигенной микрофлоры или интродуцированных штаммов для ускорения утилизации, переработки и обезвреживания навоза и помета и получению органический продуктов, обладающих свойством удобрения.

I Обзор литературы

1.1 Современное состояние использования органических удобрений.

Согласно данным FAOSTAT, объем внесенных удобрений на основе животного сырья в мире вырос с 26,7 млн. тонн в 2013 году до 27,6 млн. тонн в 2016 году. Согласно данных Росстата, в России в 2018 году сельскохозяйственными организациями было внесено 68,8 тыс. тонн органических удобрений, что на 23,5 % по сравнению с 2013 годом. Из общего объема используемых органических удобрений наибольшая доля приходится на зерновые и зернобобовые культуры (без кукурузы) — 45-50 %. и кормовые культуры — около 30 % от всего объема органических удобрений. Под подсолнечник вносилось чуть более 4-6 % , сахарную свёклу 3 %, картофель около 1-1,5 %, под овощи и бахчевые культуры – менее 0,5 % (рисунок 1).

В 2017 году наибольшая доля внесения органических удобрений приходится на Центральный федеральный округ – 37 % от всего объема органических удобрений в России. На втором месте Приволжский федеральный округ – 24 %. На третьем месте находится Северо-Кавказский федеральный округ – 13 % (рисунок 2).

В Центральном ФО, лидере по внесению органических удобрений, за период 2013-2017 гг. наблюдается наращивание объемов внесения сельскохозяйственными организациями органических удобрений. В 2014 году показатель составил 23 235 тыс. тонн, что на 18,3 % больше, чем в 2013 году (19 647 тыс. тонн). В 2015 году этот показатель остался практически на уровне 2014 года (+0,03 %, 23 242 тыс. тонн). В 2016 году в Центральном федеральном округе объем внесения органических удобрений замедлился на 0,5 % (23 117 тыс. тонн).

На следующий год произошло увеличение объемов внесения на 7,2 % (24 773 тыс. тонн). Следует отметить, что в 2016 году только Приволжский федеральный округ, Уральский федеральный округ и Дальневосточный федеральный округ сократили объемы внесения органических удобрений в 2017 году на 2%, 2 % и 0,7 % соответственно).

Рисунок 1 Внесено сельскохозяйственными организациями органических удобрений по видам сельскохозяйственных культур в 2013-2017 гг., тыс. т

В остальных округах показатель незначительно увеличился: Северо-Западный (+0,7 %), Южный ФО (+0,4 %), Северо-Кавказский ФО (+0,3 %), Сибирский ФО (+0,3 %) (рисунок 2).

В 2017 году наибольшая доля вносимых удобрений пришлась на Белгородскую область – 13,6 %, опередившую Ставропольский край, который по результатам спустился на вторую строчку – 12,8 %. На третьем месте находится Воронежская область – 7,7 % (рисунок 2).

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что несмотря на увеличение объемов использования органических удобрений, значительное количество отходов животноводства и птицеводства остается невостребованным и требует соответствующей подготовки к применению в качестве удобрения.

Рисунок 2 Внесено сельскохозяйственными организациями органических удобрений в регионах РФ, тыс. т

1.2 Проблемы и пути утилизации и переработки твердых и жидких отходов животноводства и птицеводства

На крупных фермах Российской Федерации ежегодно образуется 200-250 млн.т навоза и 20-25 млн.т помета, жидких стоков в совокупности достигают 700-800 млн. т приводит к накоплению больших запасов навоза и помета.

В соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов навоз классифицируется следующим образом: навоз КРС перепревший (хранение не менее шести месяцев) – V класс опасности; навоз КРС свежий – IV класс опасности; навоз от свиней свежий – III класс опасности; навоз от свиней перепревший (хранение не менее одного года) – IV класс опасности. Птичий помет рассматривается как токсичные отходы производства III класса опасности [9]. Основными направлениями утилизации твердых и жидких отходов животноводства и птицеводства является использование в качестве органического удобрения. Ранее, когда концентрация скота и птицы на единицу земельных угодий была очень низкой, навоз и помет накапливали около фермы или вывозили на поля, где он постепенно превращался в перегной [10].В почве навоз и помет разлагаются медленно. Избыточное количество навоза и помета нарушает структуру почвенного сообщества и подавляет активность почвенной микрофлоры, поэтому для безущербной утилизации навоза необходимы большие земельные площади. Транспортировка на дальние расстояния, как правило, экономически не оправдана, требует значительного количества техники, затрат труда и денежных средств и не окупается прибавками к урожаю. что ограничивает его применение [11].

Остановимся поподробнее на некоторых методах получения удобрений из навоза и помета:

1.3 Сушка и гранулирование помета

Эффективным способом сохранения питательных веществ помета является его термическая обработка. Сушка помета при температуре 600-800° уничтожает возбудителей болезней и семена сорняков [12], [13]. Снижение влажности с 75-80 % до 20-25 % уменьшает массу конечного продукта в 3-4 раза. Высушенный помет представляет собой высококонцентрированное органическое удобрение, лишенное зловонного запаха, с благоприятными физическими свойствами. Высокотемпературная сушка также имеет недостатки: термически высушенный навоз и птичий помет может содержать канцерогенные вещества, при сушке наблюдаются значительные потери питательных веществ, высоки затраты на энергоносители. Учитывая, что рыночная цена продуктов из переработанных продуктов низкая, использование сушки – чаще всего нерентабельный метод. Российские ученые института машиноведения РАН создали технологию получения органического удобрения из птичьего помета Гуано путем низкотемпературного обезвоживания помета в вакууме. Однако, при низкотемпературной сушке получают обезвоженный, но не полностью обеззараженный продукт. В нем сохраняются некоторые патогенные микроорганизмы и семена сорных растений [14].Такой продукт нежелательно использовать на полях в качестве удобрения. Кроме того, установки для низкотемпературной сушки сложны в изготовлении, дороги для приобретения, и неэкономичны в эксплуатации. В нашей стране и за рубежом для сушки навоза и помета в основном используются вращающиеся барабанные сушилки. Технологические схемы и. компоновка оборудования этих сушилок отличаются типами топок, барабанов, конструкциями пылеулавливающих устройств. Барабанные сушилки экономичны по расходу тепла и энергии, а также имеют сравнительно большую производительность [15].

1.4 Сушка навоза и помета энергией сверх высокой частоты (СВЧ)

Монолаков В.А. в соавторстве (1995), предложил способ производства сухого птичьего помета воздействием на птичий помет (сырой) электромагнитным излучением на сверх высокой частоте (СВЧ) с одновременной обдувкой горячим воздухом в ограниченном пространстве (рисунок 3). Особенность нагрева СВЧ — близость или совпадение резонансной частоты электромагнитного поля, возбужденного в камерах СВЧ — установках. Вследствие чего происходит быстрое нагревание материала по всему объему, и сильнее нагреваются те участки, где влажность сырья выше. Более сухие места нагреваются медленнее, происходит своеобразное регулирование нагрева. Процесс сушки идет при сравнительно низких температурах порядка 80-120°С, благодаря чему в помете полностью сохраняются все питательные вещества, включая аминокислоты. Кроме того, при указанном виде сушки достигается стерилизующий эффект готовой продукции, что обусловлено, как термическим действием энергии СВЧ, так и нарушением электромагнитного равновесия микробной клетки, находящейся в высушиваемом материале [16]. Установка сушки на СВЧ содержит: СВЧ — камеру, источники излучения, конвейер, герметичные загрузочные и накопительные бункеры, системы подачи горячего воздуха и сырья. Использование герметичных, загрузочных и накопительных бункеров, исключает паразитное СВЧ — излучение в окружающую среду. Однако, стоимость СВЧ -генераторов сравнительно высока. Поэтому способ пока не получил широкого применения.

Рисунок 3 Способ производства сухого органического удобрения в СВЧ камере: 1 — излучатель СВЧ — энергии; 2 -СВЧ камера; 3 — конвейер; 4 -трубки для подачи и откачки воздуха; 5 — загрузочный бункер; 6 — накопительный бункер; 7 — люк для загрузки сырья и выемки продукта; 8 — заслонка; 9 -виброполка; 10-вибратор.

Компанией «ЛЕСИНТЕХ», которая была создана в 2006 г. разработана технология и оборудование, позволяющие без перенастройки получать из навоза и помета на одном оборудовании продукт, который может быть использован как топливо, почвообразующее удобрение и добавка к корму крупного рогатого скота и рыб. Технология компании «ЛЕСИНТЕХ» сводится к следующему: Условно технологический цикл разделяется на 3 участка.

1. Приём, складирование, подготовка и подача сырья.

2. Участок сушки – сушка и обеззараживания сырья, и очистка выбросов.

3. Участок гранулирования – получение готовых гранул, фасовка, упаковка.

Высокотемпературная сушка также имеет недостатки: термически высушенный навоз и птичий помет может содержать канцерогенные вещества, при сушке наблюдаются значительные потери питательных веществ, высоки затраты на энергоносители. Учитывая, что рыночная цена продуктов из переработанных продуктов низкая, использование сушки – чаще всего нерентабельный метод [17].

1.5 Производство микроэлементсодержащего органического удобрения

Существуют и другие способы переработки навоза и птичьего помета. Удобрения производят с любым набором макро- и микроэлементов, их можно использовать под любые сельскохозяйственные культуры и на любых почвах, при этом прирост урожайности составляет 20-25 %[18]. Исследованиями ученых Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института химизации сельского хозяйства доказана перспективность производства органических удобрений на основе навоза и птичьего помета, древесных опилок, торфа, лигнина и других местных органических компонентов. Использование полученных удобрений (50 т/га) в районах Севера позволяет увеличить урожайность картофеля с 7,2 до 17,1 т/га (или в 2,4 раза), рапса — с 12,5 до 18,4 т/га, или на 47,2 % [19]. Например, потери азота при длительном хранении птичьего помета можно предотвратить, если химически связывать выделяемый аммиак при помощи порошковидного суперфосфата, фосфоритной муки и фосфогипса. Так, на Томилинском птицеводческом производственном объединении Люберецкого района Московской области отработали технологии приготовления компостов с различным соотношением торфа, помета и фосфогипса. Оптимальной оказалась технология, предусматривающая соотношение торфа к помету 1:2с добавлением 10 % фосфогипса. Эта технология позволяет сэ­кономить торф и улучшить физические свойства компоста. Благоприятное действие фосфогипса объясняется тем, что сера, входящая в его состав, связывает выделяющийся аммиачный азот в сульфат аммония [20].

1.6 Биоконверсия отходов животноводства и птицеводства

Экологически и экономически более эффективно использование биотехнологических методов.

Отдельное место среди технологических схем переработки и утилизации навоза занимают биореакторы (биостанции), или биогазовые установки. Они представляют собой комплекс по переработке навоза, помета и навозной жижи, вырабатывающий электричество, тепло и высококачественные органические удобрения. После очищения биогаза получается биометан, который может быть использован для освещения, отопления и заправки автомобилей. Возле биогазовых установок выгодно ставить теплицы. Однако стоит отметить, что биогазовые установки не нашли широкого применения в России, что связано с их высокой стоимостью. Так, средняя стоимость биогазовой станции зарубежного производства под ключ составляет 2,5-4 млн. € за 1 МВт Возможна комплектация биогазовой установки линией сушки и фасовки удобрений (плюс 25%). Для производства биометана (аналог природного газа), годного для заправки в автомобили или подачи в газовую сеть, установка оснащается системой очистки (плюс 25–30% от базовой комплектации) [21]. Кроме того, доказано, что устанавливать биогазовую установку экономически целесообразно лишь на крупных животноводческих и птицеводческих хозяйствах с численностью животных или птиц более 10 тыс. голов [22], [23] .

1.7 Аэробные методы ферментации навоза и помета

В результате получают удобрения со свойствами, отличными от свойств исходных материалов. В частности компостирование навоза и помета с торфом, древесными опилками, соломой, сапропелем, почвой резко снижает потери азота. При этом значительно уменьшается неприятный запах и загрязнение окружающей среды [24],[25].

Компостирование – это экзотермический процесс биохимического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной деструкции специфической популяцией микроорганизмов в определенных условиях. Компосты, как правило, состоят из двух основных компонентов, неодинаковых по степени устойчивости к разложению микроорганизмами. Один из них – легкоразлагающийся компонент – это птичий помет (или навоз и т.д.) – который богат питательными веществами, преимущественно азотсодержащими, микрофлорой. Другой компонент — торф, лигнин, солома, опилки и т.д. – обладает высокой влагоемкостью, содержит преимущественно сложные полисахариды и слабо разлагается в природе. Компостированием получают ценные для сельского хозяйства органические удобрения и средства, улучшающие структуру почвы. Большое распространение получило получение искусственной почвы с помощью компостирования и её использование в биоинтенсивном земледелии. Компосты можно использовать для выращивания грибов, в качестве основного удобрения на огородах, садовых участках. Тепло, выделяемое при компостировании, можно применять для нагрева воздуха и воды до температуры 50-55 ⁰С и отопления парников [26].

В зависимости от составляющих компонентов можно выделить следующие виды компостов: торфонавозные, торфожижевые, сборные (приготовленные из твердых бытовых и промышленных отходов), навозно-почвенные, торфопометные, пометноопилочные, пометнолигниновые, пометопочвенные и другие [27]. Длительность компостирования зависит от климата, продолжительности хранения компостной массы, влажности, условий аэрации. Полевое компостирование в кучах и буртах требует больших площадей и длится в зависимости от биодоступности субстрата, применяемой механизации и системы аэрации от 3 недель до 1, 5 лет. В крупных масштабах этот метод невозможно применять вблизи населенных пунктов. По окончании компостирования степень переработки органического вещества составляет 40-60%, влажность массы снижается до 25-50%, зольность увеличивается до 25-70% и существенно уменьшается её объем, а оставшийся органический субстрат претерпевает физические и химические превращения, сопровождающиеся образованием гумифицированного конечного продукта. Выделяют 4 стадии компостирования.

I стадия — мезофильная (развиваются мезофильные микроорганизмы, температура внутри смеси начинает постепенно повышаться с 10-15 до 30-40 ⁰С); II стадия – термофильная (температура смеси достигает 40-45⁰С), когда начинают развиваться термофилы и температура продолжает возрастать, достигая максимальных значений 70-80⁰С). Из-за протекания процессов аммонификации рН начинает повышаться. Условия, благоприятные для развития термофильных бактерий сохраняются недолго, термофильные бактерии спорулируют и в таком состоянии сохраняют жизнеспособность. Скорость окисления начинает падать, рН убывать, но все еще остается щелочным. III стадия – остывания. По мере остывания сначала начинают восстанавливаться популяции спорообразующих бактерий, актиномицетов и грибов. Бурно развиваются актиномицеты, которые выделяют антибиотики, подавляющие микобактерии и гнилостные бактерии, сохранившиеся после термостадии, что способствует обеззараживанию компостированного материала. Продолжительность первых трех стадий составляет несколько суток и недель. IV стадия – созревание. На этой заключительной стадии наблюдается дефицит питательных веществ, смена доминирующей микрофлоры приводит к лизису части микробных клеток, появляются почвенные животные. Идет образование гумусового вещества. Продолжительность последней четвертой стадии длится несколько месяцев. При соблюдении технологии получают биогумус хорошего качества; органические вещества – 25-80%; углерод – 8-50%; азот – 0,4 – 3,5%; фосфор – 0,1-1,6%; калий – 0,4 -1,6%; кальций в виде CaO – 0,7-1,5%; рН компоста – 6,5 – 7,5%. Ускоряют переработку помета штаммы бактерий или грибков под общим названием «эффективные микроорганизмы» — это микроорганизмы, выделенные из компоста или специально селекционированные штаммы-деструкторы на основе термофильных актиномицетов, бактерий, грибов. Добавки на основе аборигенной микрофлоры получают методом накопительных культур на компостируемых субстратах, например, в аппаратах с принудительным перемешиванием и аэрацией. Полученную закваску вносят в основную компостную массу. Добавление стартовых культур может сократить сроки компостирования до 4-15 суток [28], [29]. В институте сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург) под руководством И.А. Архипченко была разработана технология переработки бесподстилочного помета (навоза), основанная на микробио-трансформации исходного отхода в гранулированные биоудобрения. Резуль­таты исследований, проведенных в с 1996 года по 2003 год, свидетельствуют, что получаемые удобрения (бамил, омуг, пудрет, экуд) по действию на продуктивность растений и агрохимические свойства почвы существенно превосходят действие традиционных органических и минеральных удобрений [30].

В настоящее время на российском рынке представлен достаточно широкий круг различного рода биоактиваторов и ферментных препаратов, предназначенных для глубокой переработки навоза и биологической очистки сточных вод и отстойников на свинофермах. Среди наиболее известных можно отметить такие, как Липастар, Микрозим, Оксидол, Водограй, Абсолют-Агро, Тамир и другие [31].

Применение биоактиваторов способствует снижению затрат на откачку и/или перемешивание навоза, сокращению сроков его обеззараживания и созревания в хранилищах, улучшению усвоения питательных веществ растениями, сохранению содержания азота на безопасном для растений и почвы уровне, снижению количества выбросов cероводорода и аммиака в атмосферу, уменьшению неприятного запаха и количества мух в стойлах. Все большее распространение приобретают комплексные технологии переработки свиного навоза. Одной из них является технология «Биохлев», представляющая собой комплекс анаэробных и аэробных бактерий для переработки навоза и прочих продуктов жизнедеятельности животных, производимая английской компанией Bio-SystemsEurope [32].

Механизированным компостированием (в биореакторах, биотуннелях, ферментационных барабанах, траншеях) можно уменьшить сроки компостирования до 2-3 недель и даже 2-7 суток. Объемы биореакторов для компостирования достигают 100-500 м³, производительность от 0,5 до 300 т компоста в сутки. В комплекты оборудования таких систем входят контейнеровозы, погрузчики, транспортеры, прессы, барабанные грохоты, магнитные сепараторы, установки для измельчения отходов, смесители, биофильтры или компостные фильтры для рыхления и перемешивания, компостной массы грейферного, лопастного, шнейкового и других типов. Компостирование с использованием механизированных технологий проводится в два этапа: первый – ускоренное разложение органического материала в условиях контролируемой температуры, влажности, аэрации; второй – дозревание полученной компостной массы в течение 3-4 недель в буртах или штабелях на площадках или в реакторах, где она стабилизируется, обеззараживается и высушивается. Однако процесс компостирования помета как способ его утилизации имеет ряд недостатков. Компостирование обычно связано с добавлением большого количества органических и минеральных веществ, что весьма трудоемко, требует соответствующей механизации и большого количества транспортных средств. Кроме того, компостирование не исключает возможность распространения различных заболеваний, загрязнения грунтовых вод и окружающей территории. Недостатком механизированных технологий компостирования – высокая стоимость сооружений, в 5-10 раз превышающая стоимость сооружений для компостирования в штабелях, сложность эксплуатации. Затраты электроэнергии на приготовление 1 т продукта составляет 20-200 кВт*ч. Цена высококачественного компоста составляет 30-50 долл. За 1 т сухой массы [33].

Известен такой способ переработки навоза как вермикомпостирование, основанный на способности дождевых червей потреблять любые органические отходы, выделяя при этом ценнейшее гумусодержащее удобрение [34]. Многочисленные исследования проведенные за рубежом показывают, что применение технологии переработки навоза с помощью дождевых червей имеет ряд преимуществ перед традиционной технологией утилизации органосодержащих отходов, а именно: гранулированные гумусодержащее удобрения как продукт жизнедеятельности вермикультуры превосходит навоз и компосты по содержанию гумуса в 4…8 раз, причем характерной особенностью является небольшой разрыв в показателях отношения С:N, это в 2-3 раза выше чем у компостов традиционного способа приготовления [35].

Большое количество гуминовых кислот в вермикомпост вызвано повышенной ферментативной активностью, в частности по пероксидазе и полифенолоксидаз. Пероксидазы окисляют органическое вещество за счет кислорода, перекиси водорода или органических перекисей образующихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Полифенолоксидаза катализируют окисление фенолов в присутствии кислорода воздуха, их активность отражает интенсивность процессов образования гумусовых соединений [36].

Повышение активности нитратедуктазы, в свою очередь способствует снижению содержания нитратов в растениях при применении в качестве удобрения биогумуса [37]. Кроме того, вермикомпост представляет собой структурные отдельности, прочные и водостойкие, т.к. в кишечнике червей происходят процессы полимеризации продуктов распада органического вещества и формируются молекулы гуминовых кислот. Эти молекулы образуют комплексные соединения с минеральными компонентами (прежде всего с биогенным кальцитом), что позволяет долго сохраняться в виде стойких образований [38]. Это дает возможность использовать биогумус для улучшения агрофизических свойств почв, предназначенных для выращивания сельскохозяйственных культур и совмещать посев с внесением биогумуса или вермикомпост сеялками.

Одна из отличительных особенностей биогумуса или вермикомпост в том, что он не содержит жизнеспособных семян сорных растений, в навозе и компосте традиционного приготовления количество сорняков достигает нескольких миллионов в одной тонне. При неправильном хранении количество жизнеспособных семян в бурте за летний период может возрасти в 10-15 раз за счет вторичного засорения [39], [40]. После вермикомпостирование то есть прохождения материала через мускулистый желудок и кишечник червей, семена перетираются с частицами песка повреждается семенная оболочка и они теряют жизнеспособность.

Из одной тонны органосодержащих отходов при переработке ее червями получается 100 кг биомассы червей и 600 кг гумусового удобрения, с более высокой питательной ценностью, чем навоз. В связи с этим можно выделить еще один положительный момент в сравнении с другими способами приготовления компостов — это меньшие нормы внесения, что безусловно экономически более выгодно. Численность полезных микроорганизмов в биогумус выше, чем у исходных компостов. Состав микрофлоры зависит от состава пищи, как уже было сказано выше, влияет на многие свойства вермикомпостов [41]. Известно, что микроорганизмы, грибы, актиномицеты закрепляют химические элементы вермикомпост [42]. Анализ микробиологических свойств готового вермикомпост, показал, что это — продукт с достаточно стабильным микробным сообществом. При естественной влажности (около 74%) он характеризуется определенной пропорцией микробной биомассы: 63-71% — грибной мицелий; 21-28% — споры грибов и дрожжеподобные организмы; 5,6-6,7% — бактерии; 2,3-3,2% — мицелии актиномицетов. В отличие от исходного субстрата и навоза в вермикоспосте снижается доля грибного мицелия, но возрастает доля функционально активного мицелия актиномицетов; в группе бактерий доминируют представители актиномицетов. Среди грибов преобладают активные целлюлозоразрушающие виды, которые не токсичны и не патогенны для растений, а напротив обладают антагонистическим эффектом по отношению к фитопатогенным микроорганизмам [43].

Таким образом, вермикомпост или биогумус превосходит по многим параметрам традиционные органические удобрения, а реутилизация органических отходов с помощью вермикультуры позволяет решить следующие проблемы:

— комплексную утилизацию сельскохозяйственных отходов органосодержащих отходов;

— получение ценного органического удобрения биогумуса и кормового белка в виде биомассы червя;

— получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции и повышение урожайности;

— получить экономический эффект от применения биогумуса в связи с небольшими дозами внесения, продолжительностью действия и быстрыми темпами прироста биомассы.

Метод вермикомпостирования вышел на волну популярности из-за активного развития органического земледелия в мире.

Евросоюз активно продвигает органическое сельское хозяйство, оно является юридически определенной и сертифицированной устойчивой системой производства продовольственной продукции с доказанными преимуществами для окружающей среды и благополучия животных, а также устоявшейся и прибыльной для фермеров, переработчиков и розничной торговли. Ассоциация органического сельского хозяйства IFOAM EU предполагает, что, как минимум, 20% сельхоз площадей в Европе перейдет на этот тип хозяйствования. Однако этот способ утилизации больше подходит для фермерских хозяйств и хозяйств с небольшим выходом навоза

1.8 Пути подготовки и утилизации стоков животноводческих и птицеводческих предприятий

Сточные воды животноводческих комплексов отличаются высокой концентрацией веществ во взвешенном и растворенном состоянии и высоким бактериальным обсеменением, в частности, возбудители бруцеллеза жизнеспособны в жидком навозе 108-174 суток, сальмонеллеза – 90-160, рожи свиней 92-157, ящура 42-192, туберкулеза 457 суток; яйца аскарид – свыше 6 месяцев. С повышением влажности навоза и особенно попадании его в почву возбудители инфекций сохраняемость продлевается. Поэтому использование необеззараженных навоза и стоков опасно в эпизоотическом и эпидемическом отношении сальмонеллы, возбудители туберкулеза и других инфекций. В связи с этим, сточные воды представляют эпидемиологическую опасность и могут быть использованы для орошения сельскохозяйственных угодий только после карантина, который длится от 6 до 12 месяцев. Современные промышленные технологии производства животноводческой продукции предусматривают безподстилочное содержание животных и широкое применение гидравлических систем навозоудаления. Это приводит к накоплению в хозяйствах больших объемов жидкого навоза и стоков, которые из-за отсутствия безопасных способов обработки и утилизации создают угрозу возникновения эпизоотий и загрязнения окружающей среды [44].

Навозные и пометные стоки отличаются высоким показателем БПК₅ — от 7200 до 13600 мг/л. Этот показатель свидетельствует о высокой удобрительной ценности навозных стоков. При внесении навозных стоков на полях достигается полная переработка их в биомассу сельскохозяйственных растений. Этому способствует микрофлора, почва и солнечная энергия. Исследованиями установлено, что при инфильтрации жидкой фракции навозных стоков через почвенный слой толщиной 50 см степень очистки достигает 99% .

Из существующих способов обеззараживания животноводческих стоков – химический, физических, биологических. Последнему уделяется все большее внимание.

Из новых промышленных технологий переработки жидкого навоза применяется анаэробная биоконверсия в биоэнергетических установках, в которой использован многолетний опыт анаэробного сбраживания осадков отстойников и избыточного или аэротенков очистных сооружений коммунальных стоков. Процесс анаэробного сбраживания стоков животноводческих и птицеводческих ферм и в метантенке ведется при избыточном давлении биогаза от 0,2 – 0,4 Мпа. Число биореакторов должно быть не менее двух, что обеспечит оптимальные условия для анаэробной ферментации жидкого навоза и позволит при возникновении эпизоотий инфекционных болезней животных перевести работу метантенков с проточного на цикличный термофильный режим. Анаэробную ферментацию осуществлять в биоэнергетических установках при термофильном режиме работы метантенков (53-56°С) с выдерживанием в них навоза в течении трех суток без добавления свежих порций необработанной массы. Метантенки работают в термофильном режиме поочередно. Чтобы обеспечить шестисуточное карантинирования навоза на очистных сооружениях при наличии двух и более метантенков или других сооружений (биофильтров, аэротенков, отстойников, накопителей), нужно учитывать продолжительность прохождения массы последовательно по всем этапам обработки. В технологиях с одним метантенком для шестисуточного карантинирования (а в случае эпизоотий и обеззараживания) жидкого навоза на очистных сооружениях навозонакопители должны быть рассчитаны на шестисуточный объем получаемых органических удобрений. При выдерживании жидкого навоза с рН 8,0 – 8,5 в анаэробных условиях с температурой 36-38°С обеззараживание достигается через 10-15 суток при контаминации его неспорообразующей патогенной микрофлорой, контролируемой по выживаемости бактерий группы кишечной палочки и стафилококкам, и 20 суток при наличии возбудителя туберкулеза. При выдерживании его с температурой 40-42°С для обеззараживания от аспорогенной микрофлоры необходимо 7-9 сут. При попадании инфицированного переброженного навоза в фермерские накопители обработанную массу нужно выдерживать в секциях навозохранилищ 6 месяцев [45].Из аэробных способов переработки и утилизации жидких отходов животноводства и птицеводства, обеспечивающих получение обеззараженных органических удобрений, получили распространение: сооружения полной биологической очистки, на которых проходит биоокисление в искусственных условиях на биофильтрах, в аэротенках, в биологических прудах. Полного обеззараживания стоков система рыбоводно-биологических прудов не обеспечивает и на случай эпизоотий предусмотрено длительное выдерживание стоков в отстойниках – накопителям с последующим использованием по принятой технологии очистки [46]. Таким образом, специфичность сточных вод животноводческих и птицеводческих хозяйств ограничивает использование традиционных методов очистки и ставит задачу совершенствовать существующие и изыскивать новые методы и схемы очистки и обеззараживания [47]. Для выхода из этой тупиковой ситуации Е.Г. Борисенко еще в конце 70-х годов прошлого века была предложена схема двухстадийной микробной биоконверсии свиноводческих стоков — выращивание дрожжей на первой стадии и доочистка активным илом [48].

II Материал и методы исследований

2.1 Селекция аборигенных микроорганизмов свиного навоза и птичьего помета проводилась в несколько этапов:

2.1.1 Объектами исследований служили выделенные селекционным путем накопительные и чистые культуры микроорганизмов, выделенные из загрязненных свежим свиным навозом и птичьим пометом почв: птицефабрика ОАО «Спутник» Соль-Илецкого района Оренбургской области и свиноферме хозяйства ООО «СГЦ «Вишневский» Сакмарского района Оренбургской области.

2.1.2 Выделение чистых культур, изучение морфологических, культуральных и биохимических свойств. Идентификация микроорганизмов.

Для получения изолированных колоний использовали метод последовательных разведений, для этого стерильную водопроводную воду разливали стерильной пипеткой по 9 мл в стерильные пробирки. Затем переносили стерильной пипеткой 1 мл исследуемого материала в пробирку с 9 мл стерильной водопроводной воды. Если исследуемый материал (почва) уже был разведен в 100 раз, получали разведение 1:10³. Суспензию этого разведения тщательно перемешивали с помощью новой стерильной пипетки, вбирая в пипетку и выпуская из нее полученную взвесь. Эту процедуру повторяли 3-5 раз, что обеспечивало перемешивание суспензии и уменьшало адсорбцию клеток на стенках пипетки. Затем этой же пипеткой взяли 1 мл полученного разведения и перенесли его во вторую пробирку – это разведение 1:10⁴. Аналогичным способом готовили и последующие разведения. Выделение накопительных культур микроорганизмов получали рассевом разведений накопительных культур на чашках Петри с элективными агаризованными средами [49] , где в качестве источника углерода использовали 1% свиного навоза или 1% птичьего помета. В качестве исходной суспензии использовали 1 мл накопительной культуры в 100 мл стерильной среды. Далее наносили 0.1 мл разведенной культуры на поверхность среды в чашках Петри и затем равномерно распределяли шпателем по чашке, стараясь покрыть всю ее поверхность. Чашку закрывали крышкой, на крышке делали надпись, характеризующую данное испытание. Далее чашку не помещали в термостат, где выдерживали для инкубирования микроорганизмов при температуре 26-28оС в течение 3 и 7 суток. Для каждого разведения микроорганизмов проводили три параллельных посева и инкубирования. После окончания инкубирования чашки вынимали из термостата и помещали вверх дном для счета колоний визуально. По числу колоний, выросших на среде трех чашек для одного разведения, рассчитывали среднее арифметическое значение, которое принимали как основную исходную величину для дальнейшего расчета. Число колоний, выросших на среде каждой из трех чашек не должно отличаться от среднего арифметического значения более чем на 10% относительных, рассчитанных и округленных до целого числа. Чистые культуры получали рассевом разведений накопительных культур. В качестве исходной суспензии использовали 1 мл накопительной культуры в 100 мл стерильной среды. Далее наносили 0.1 мл разведенной культуры на поверхность среды в чашках Петри и затем равномерно распределяли шпателем по чашке, стараясь покрыть всю ее поверхность. Далее чашку, не переворачивая, помещали в термостат, где выдерживали для инкубирования микроорганизмов при температуре 26-28^оС в течение 3 и 7 суток. Для каждого разведения микроорганизмов проводили три параллельных посева и инкубирования. После окончания инкубирования чашки вынимали из термостата и помещали вверх дном для счета колоний визуально. По числу колоний, выросших на среде трех чашек для одного разведения, рассчитывали среднее арифметическое значение, которое принимали как основную исходную величину для дальнейшего расчета. Число колоний, выросших на среде каждой из трех чашек не должно отличаться от среднего арифметического значения более чем на 10% относительных, рассчитанных и округленных до целого числа.

Микроскопированием определили морфологические особенности микроорганизмов. При изучении морфологии бактерий учитывали: форму клеток (кокк, палочка и т.д.); характер взаимного расположения; размеры клеток; наличие спор; капсул; подвижность; окраска по Граму.

Изучение культуральных свойств проводили по характеру роста на плотных и жидких питательных средах. Описание поверхностных колоний, выросших на плотных питательных средах проводили по следующим признакам: а) форма колонии (округлая, неправильная, ризоидной и т.д.); б) поверхность колоний (гладкая, бугристая, морщинистая, блестящая; в) профиль (плоский, выпуклый, кратерообразный и т.д.); г) цвет колонии; д) размер (диаметр) колонии измеряется с помощью линейки; е) край колонии (ровный, волнистый, зубчатый, бахромчатый); ж) структура (мелко-, крупнозернистая, однородная); з) консистенция (мягкая, плотная, слизистая, тягучая). При росте культуры на скошенном агар-агаре: а) рост (пышный, скудный, умеренный); б) характер налета колонии (сплошной, диффузный); в) характер края штриха (ровный, волнистый); г) поверхность штриха (блестящая, матовая, мучнистая); д) профиль штриха (плоский, выпуклый); е) консистенция культуры (сочная, сухая, слизистая); ж) оптические признаки штриха (прозрачная, полупрозрачная, непрозрачная); з) цвет налета и изменение окраски среды. При росте культуры на жидких средах: а) интенсивность роста; б) характер (муть, осадок, пленка); в) мутность среды и степень мутности; г) характер осадка; д) характер пленки (гладкая, сухая, морщинистая, плотная); е) появление запаха и изменение цвета среды. Изучение биохимических свойств проводили с учетом способности ферментации углеводов на цветных средах Гисса, восстановления нитратов, характера роста на желатине. Для определения ферментации углеводов готовили среды Гисса: к 100 мл дистиллированной воды прибавляли 1 г пептона и 0,5 г NаС1. Растворяли при нагревании воды в течение нескольких минут, фильтровали через бумажный фильтр до совершенно прозрачного раствора, устанавливали рН= 7,0-7,4, а затем прибавляли 0,5-1,0 г одного из углеводов и индикатор Андреде в количестве 1 мл на 100 мл среды. Готовую среду разливали по 3 мл в пробирки, стерилизовали вместе с поплавками, расположенными запаянным концом вверх текучим паром три дня подряд по 30 минут, при 112 °С. Среды Гисса имеют соломенно-зеленый цвет (рН= 7,0-7,2). В результате роста бактерий, сопровождающегося расщеплением углеводов с образованием кислых продуктов распада, цвет среды меняется. Образование газа в среде определяли по наличию пузырьков в поплавке. Для выяснения способности восстанавливать нитраты делали посев в МПБ с 0,1% нитратом калия. Через несколько дней определяли наличие нитратов реактивом Гисса и наличие аммиака – реактивом Несслера. При малом содержании аммиака окраска желтая, при значительном оранжево-желтая, при большом – красно-бурая. Для определения нитратов реактив Гисса употребляли в сухом виде. На каплю, культуры скальпелем насыпали немного реактива. Окраска менялась до густо-малинового цвета сразу при большом количестве нитратов и постепенно – при малых количествах. Определение сероводорода проводили на плотной среде следующего состава: к 1 л стерильного 1,7—2 %-ного МПА добавляли сернокислое железо (FeSO₄) — 0,2, гипосульфит (тиосульфат Na₂S₂O₃) натрия -0,3, глюкозу -1 г, индикатор фенолрот водный 0,3 %-ный -12 мл. Среду разливали в стерильные пробирки по 5-6 мл, стерилизовали текучим паром 20 мин. Перед употреблением среду расплавляли и охлаждали в наклонном положении пробирки. Посев делали на скошенную поверхность агар-агара, а затем уколом в нижнюю часть столбика среды. При наличии сероводорода под действием растущей бактериальной культуры столбик среды краснеет, нижняя часть окрашивается в черный цвет. Протеолитическую способность – на желатиновой среде. Делали посев уколом в столбик МПЖ, после чего пробирки инкубировали в термостате, при температуре 28-30 °С. На другой день помещали пробирки на 60 минут в холодильник и отмечали наличие разжижения и его характер:1) равномерное, начиная с поверхности (строгие аэробы); 2) кратеровидное, воронковидное, реповидное (менее строгие аэробы);3) мешковидное (факультативное, анаэробы); 4) пузыревидный рост в глубине среды (строгие анаэробы). Использование органических соединений азота. Индол устанавливали с помощью реактива Эрлиха: в пробирку с 5 мл 2-3-суточной бульонной культуры бактерий добавляли 2 мл эфира, содержимое встряхивали и дали отстояться. Затем под слой эфира пастеровской пипеткой подслаивали 0,5-1 мл реактива Эрлиха. При наличии индола в течение 3—5 мин на границе между эфиром и бульонной культурой образовывался интенсивно-розовое кольцо [50]. Молекулярно-биохимическую идентификацию штаммов микроорганизмов проводили с использованием полимеразной цепной реакции по видоспецифическому гену штамм. Выделение ДНК и ПЦР анализ проводили согласно [51]. Построение древа родства RibosomalDatabaseProjectII [52] .

2.1.3 Выращивание отобранных чистых культур аборигенных микроорганизмов проводили в режиме накопительной биомассы с применением проточной системы культивирования, работающей в режиме хемостата, также методом твердофазного культивирования [53].

2.2 Использование для обезвреживания и утилизации свиного навоза и птичьего помета интродукции специальных штаммов-деструктов.

• • 1. Объектами исследований служили:

1. Штамм бактерии Bacillussubtilis 534 (депонирован в ВКМ Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН под номером В1666 D). Посевной материал штамма бактерии Васillussubtilis 534 выращивали на известной питательной среде, разработанной для данного штамма [54]: (в %): калий фосфорно-кислый однозамещенный 0,2-0,4, сульфат аммония — 0,1-0,3, цитрат натрия — 0,2-0,4, цитрат аммония -,03%% 0,5, глутаминовая кислота — 0,2-0,4, молочная кислота — 0,5-1,5, диализат дрожжей — 5,0-9,0, сернокислое железо — 0,00005-0, 00015, сернокислый магний — 0,0025-0,0075, лактат кальция — 0,0005-0,0015, глюкоза — 0,3-0,5, картофельно-глицериновый бульон — 20-30, остальное – вода. В качестве воды мы использовали, разведенную в 2 раза сточную воду птицефабрики состав которой представлен в таблице 2.

2.Штамм Hypomycesrosellus КМ- 400 хранится в музее чистых культур кафедры микробиологии Биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова как продуцент протеолитических ферментов и антибиотически активного препарата антибактериального и фунгицидного спектров действия. Выращивание штамма проводили на ранее разработанной питательной среде [55]. в ферментерах мешалочного типа емкостью 10 л с подачей воздуха с подачей воздуха 0,2-0,4 л/л в мин., при перемешивании 300 об/мин. в течение 48-72 часов при температуре 25-260 С. Состав питательных сред и способ культивирования гриба описаны ранее [55]. В качестве индуктора синтеза ферментов вносили навоз свиной или куриный помет в количестве 1%.

2.2.2 Определение физиологически активных соединений, образуемых интродуцированными штаммами в лабораторных условиях.

Амилолитическуюи протеолитическую активности определяли согласно [56]. В качестве тест – микроорганизмов использовали бактериальные и дрожжевые культуры: Escherichiacoli К12 (АТСС 25922), Escherichiacoli 354, StaphylococcusaureusP 209 (ATCC 6538- 452, Pseudomonasaeruginosa (АТСС 27853), Pseudomonasfluorescens ВКПМ №В-350, Pseudomonasputida КМ МГУ №95, Candidaalbicans (получены с кафедры микробиологии и заразных болезней ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет») и фитопатогенные грибы: Alternariatenius, Moniliafructigena, Botrytiscinerea, Rhizoctoniasolani, Fusariumroseus, Fusariumoxysporum, Helmintosporumsativum, Microsporumcanis, Mucorsp., Candidaalbicans, Pucciniagraminis, Cladobotriumcladobotrium из музея чистых культур кафедры микробиологии Биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

2.2.3 Определение веса сухой биомассы. Этот метод широко применяется для оценки роста микроорганизмов в жидких питательных средах. Мицелий с колбы, содержащей 100 мл культуральной жидкости, перемешивали и фильтровали в воронке через бумажный фильтр, предварительно доведенный до постоянного веса. Осадок троекратно промывали дистиллированной водой. Фильтр с мицелием доводили до постоянного веса в сушильном шкафу при t=1050C и охлаждали 2 часа при комнатной температуре. Вес сухой биомассы ( г/100 мл ): M = (A-B) 100/V, где A – вес фильтра с мицелием, г. B — вес фильтра без с мицелия, г. V – объем культуральной жидкости при фильтровании, мл.

Количественное определение белка по методу Лоури. Основан на измерении интенсивности окраски раствора, в котором осуществляется цветная реакция на белок (реакция Фолина) с тирозиновым и цистеиновым радикалами белковой молекулы, состоящая в восстановлении смеси фосфорно-вольфрамовой и фосфорно-молибденовой кислот (реактив Фолина) с образованием комплексного соединения синего цвета. Указанной реакции восстановления способствуют комплексные соединения меди, возникшие при взаимодействии белка со щелочным раствором медного купороса. Реакция Фолина очень чувствительна, поэтому метод Лоури позволяет вести определения в сильно разбавленных растворах. Перед проведением определения смешивали 49 мл раствора A с 1 мл раствора B. К 1 мл исследуемого белкового раствора, содержащего от 10 до 100 мг белка, добавляли 4 мл смеси растворов A и B. Встряхивали и оставляли на 10 минут при комнатной температуре. Затем быстро приливали из пипетки 0.2 мл реактива Фолина, энергично перемешивали и оставляли на 30 минут для развития окраски. При этом желтая окраска постепенно переходит в синюю. Оптическую плотность раствора измеряли на фотоэлектроколориметре при 750 нм в кюветах с толщиной слоя в 1 см. Содержание белка в испытуемой пробе устанавливали по калибровочной кривой, построенной заранее по раствору чистого белка с точно известной концентрации, в данном случае альбумину. Для этого готовили серию растворов альбумина с содержанием от 20 до 400 мг в 1 мл. [57].

2.2.4 Обезвреживание и переработку жидкой, полужидкой и твердой фаз навоза и помета проводили с использованием интродукции штаммов деструкторов на территориях животноводческого и птицеводческого хозяйств. Для этого твердую фракцию навоза или птичьего помета предварительно отделяли от жидкой путем центрифугирования и каждую фракцию обрабатывали путем распыления суспензии биомассы интродуцируемого штамма микроорганизмов концентрацией 2*10⁵-2*10⁶ микробных тел/мл на 1 тонну навоза или помета. Жидкую фракцию периодически переносили в специальную емкость, оборудованную тонкослойным отстойником, где в течение 1 часа отставляли отстаиваться. Осветленную часть дренажной воды далее с помощью насоса переносили в аэробный биореактор и засевали посевной культурой интродуцированного штамма с титром 10⁸кл/мл. Полужидкую (влажность 90-93%) и твердую (влажность 75-80%) фракции птичьего помета с общим микробным числом (ОМЧ) 9*10⁶ КОЕ/мл и коли-титром равном ≥0,001 мл обрабатывали суспензией культуры активного из расчета 1 млрд клеток на 1 т птичьего помета на площадке, оборудованной снизу каналами для подачи воздуха. Под воздействием воздуха, поступающего снизу в твердую фракцию помета, происходил рост штаммов и синтез гидролитических ферментов и антимикробных веществ, подавляющих болезнетворные микроорганизмы птичьего помета. В таком виде твердую фракцию помета, периодически переворачивая, подвергали компостированию при участии аборигенной микрофлоры. Процесс компостирования вели при контроле температуры и определенной влажности бурта и в конце ферментации наблюдали снижение аммиачного запаха, изменение цвета и агрегатного состояния содержимого буртов.

2.3. Влияния полученных органических продуктов на урожайность и качество ячменя и нута.

Объектами исследований являлись районированный сорт нута «Краснокутский-36» и ячмень яровой селекции Оренбургского государственного аграрного университета.Полевые опыты с использованием органических продуктов на основе полученных нами продуктов будут заложены в мае месяце 2021 года на учебно-опытном участке Оренбургского государственного аграрного университета. Влияние предпосевной обработки семян на всхожесть, энергию прорастания и биометрические показатели семян нута и ячменя определяли согласно [58].

Все опыты проводили в трехкратной повторности. Результаты обрабатывали статистически [59].

III Результаты и обсуждение

Использование способов очистки навозо- и пометсодержащих сточных вод и переработки навоза/птичьего помета с внесением культур микроорганизмов в условиях контролируемой температуры, влажности и аэрации с участием аборигенной микрофлоры позволяет получать эффективные биоудобрения, кормовые добавки и значительно сократить сроки обеззараживания навоза- и пометосодержащих масс.

Одной из задач нашего исследования являлось выделение из загрязненных свиным навозом и птичьим пометом грунтов наиболее активных штаммов микроорганизмов, способных использовать навоз или помет в качестве единственного источника углерода и энергии. В процессе работы было выделено около 100 накопительных культур на питательных средах, содержащих 1% свиного навоза и 1% птичьего помета, в которых регистрировался рост представителей следующих родов. Результаты позволили выделить следующие бактерии, обладающие способностью утилизировать навоз и помет: Pseudomonas, Proteus, Enterococcus, Micrococcus, Bacillus, Xanthomonas, Rhodococcus, Stenotrophomonas, Lactococcus, Lactobacillus и микроскопические грибы рода Penicillium, Mucor, Aspergillus(таблица 1). При выращивании в режиме глубинного культивирования в хемостатедо снижения концентрации загрязняющих веществ уровня ниже ПДК, оставались лишь виды, совмещающие высокую скорость размножения с высокой биопродуктивностью. Таким образом, из 100 микробных культур, в которых был зарегистрирован рост, утилизация и обезвреживание свиного помета и навоза было отобрано первоначально 10-12 наиболее активных культур, а затем отобраны только 2 наиболее активные культуры, имеющие высокую скорость размножения и наибольшую продуктивность. В дальней работе была проведена их идентификация до вида с использованием метода полимеразной цепной реакции.

Таблица 1

Накопительные культуры почвенных микроорганизмов, утилизирующих отходы животноводства

Список использованных источников литературы

1. Микробиологические риски в промышленном птицеводстве и животноводстве /В.И. Фисинин, В.И. Трухачев, И.П. Салеева, В.Д. Морозов, Е.В. Журавчук, Р.О. Колесникова, А.В. Иванов //Сельскохозяйст.биология. – 2018. – Т. 53. — № 6. – С. 1120 – 1130.

2. Рациональное природопользование и кормопроизводство в сельском хозяйстве России / В. М.Косолапов, И. А.Трофимов, Л. С.Трофимова, Е. П.Яковлева.– М.: РАН, 2018. – 132 с.

3. Справочная книга по органическим удобрениям. –Владимир:ВНИПТИОУ, 2001.– 495 с.

4. Инновационные технологии производства биотоплива второго поколения: науч. изд./В.Ф. Федоренко, Д.С.Буклагин, А.Н.Зазуля, И.Г. Голубев и др. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2009. – 68 с.).

5. Лукин, С.М. Биологизация земледелия – научная и технологическая основа экологически устойчивого сельского хозяйства/С.М. Лукин, И.В. Русакова //Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологически устойчивое земледелие: состояние, проблемы и пути их решения»:. – ВНИИОУ – филиал ФГБНУ «Верхневолжский ФАНЦ», 22-24 июня 2018 г. Иваново: ПресСто, 2018. С.- 3-10

6. Структура условно-патогенной микрофлоры на животноводческих предприятиях различного профиля / И.М.Донник, А.Г.Исаева, Н.Б.Мусихина, К.В.Моисеева, А.А.Гордеев // Ветеринария Кубани. — 2019.- № 5.- С.50 -53.

7. Воздействие пометохранилища бывшей птицефабрики «Снежная» Мурманской области на поверхностные воды / Е.В.Левин, Р.Ф.Сагитов, Т.А. Гамм, В.Д.Баширов, Р.Н.Касимов, С.П.Василевская, А.Д. Буракаева //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2017.- № 3(65).- С. 210-212.

8.Суржко, О. А. Экологическая безопасность при переработке и утилизацииконцентрированных по биогенным элементам жидких отходов промышленных пред-приятий: монография /О. А. Суржко, М. А. Куликова //Юж.-Рос. гос.техн. ун-т (НПИ). — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. – 140 с.

9. Стратегия развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2023 года. //Распоряжение ПравительстваРоссийской Федерации от 25.01.2018 года № 84-p, Москва.

10. Приказ Федеральной службы понадзору в сфере природопользования от 22.05.2017 №242.

11. Дабахова, Е.В. Эколого-агрохимическая оценка применения различных систем удобрения на светло-серой лесной почве автореф. дис. … канд. с.-х. наук / Елена Владимировна Дабахова.-М.: ВНИИ«Анроэкоинформ», 1998. -21 с.

12. Запевалов, М. В. Переработка птичьего помета с получением электрической, тепловой энергии и комплексного органо­минерального удобрения / М. В. Запевалов // Вестник ЧГАА. ­ 2014. — №1.– С. 45­49.

13. Щеткин, Б.Н. Утилизация отходов птицеводства — решение проблем экологической безопасности и ресурсосбережения / Б.Н. Щеткин. -Пермь: ОГУП «Соликамская типография»,2002.-135с.

14. Щеткин, Б.Н. Утилизация отходов птицефабрик и получение чистого высокоэффективного удобрения /Б.Н. Щеткин. -Калининград: Вестник Балтийского научного центра РАЕН, 2002. — №7. — с.34-35.

15. Оценка прямоточного и промышленного способов сушки птичьего помета в барабанных сушильных установках В.И./ Малофеев В.И. и др//Эффективные приемы технологии в птицепроизводетве. — М, 1974.-с.80-83

16. Автоматизация процессов сушки в промышленности и сельском хозяйстве //под ред. А.М. Берлинера.- М: Машиздат, 1961.-291с.

17. Щеткин, Б.Н. Птичий помет и технологии его переработки в высокоэффективные удобрения /Б.Н. Щеткин. -Санкт-Петербург: Издательство СПбГАУ,2000.-256с.

18.Щеткин, Б.Н. Экологически чистая технология приготовления компостов с использованием термического воздействия /Б.Н. Щеткин //Актуальные проблемы инженерного обеспечения АПК. Сборник материалов международной научной конференции. — Ярославль.: ЯГСХА, 2004.-Ч. З.- С.34-35.

19. Малофеев, В.М. Органические удобрения: способы подготовки и внесения / В.М. Малофеев. -М.: Знание, 1988 г.-160c.

20. Мерзлая, Г.Е. Биологические факторы в системах удобрения / Г.Е. Мерзлая //Агрохимия.-2017.-№ 10. — С. 24 — 36.

21.Эффективность длительного применения органических и минеральных удобрений на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве / Г.Е. Мерзлая,  Г.А.Зябкина,  Т.П. Фомкина //Агрохимия. -2012. — № 2.-С. 37-36.

22.Бирюков, К. Н. Использование биоценозов для обеззараживания органических отходов животноводства при анаэробной ферментации / К.Н. Бирюков // Ветеринария. — 2017. — № 6 . — С. 35-38.

23. Суржко, О. А. Экологическая безопасность при переработке и утилизацииконцентрированных по биогенным элементам жидких отходов промышленных предприятий: монография /. А. Суржко, М. А. Куликова //Юж.-Рос. гос.техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2011. – 140 с.

24. Образование биогаза микробными сообществами при разложении целлюлозы и пищнвых отходов /Е.А.Цавкелова, М.А.Егорова, Е.В.Петрова, А.И.Нетрусов//Прикладная биохимия и микробиология. — 2012.- Т.48.- №4.-С.412-424.

25. Лысенко, В.П. Перспективные технологии переработки помета путем ферментации под влиянием присутствующих в помете микроорганизмов / В.П. Лысенко //Птицеводство. — 2011.- №1.- С.52-54

26. Бондаренко, А. М. Теоретико-технологические подходы к переработке жидких органических отходов /А. М. Бондаренко, Л. С. Качанова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. — 2017. — № 6 (68). — С. 114-117.

27. Способ приготовления компоста /В.Н.Афанасьев, В.В.Миллер,И.А. Архипченко, О.Я.Вайнберг, Т.Л.Клявина, Н.С.Федорова, Г.М.Юрина, 1988. — заявка № 1371960,опубл. бюл.5.

28. Лысенко, В.П. Биопрепараты для компостирования птичьего помёта / В.П. Лысенко, Г.Е. Мерзлая, Р.А.Афанасьев //Птицеводство. — 2014.- № 3. — С. 39–44.

29.Кутровский, В.Н. Биоконверсия отходов агро­промышленного комплекса / В.Н. Кутровский, О.Д.Сидоренко.- М.:НИИСХ ЦРНЗ, 2009.- 160 с.

30. Зеников, В. И. Методика расчета состава смеси при компостировании / В. И. Зеников //Вестник Российской сельскохозяйственной науки. — 2016. — № 1. — С. 47-48.

31.Получение высококачественных биокомпостов / И.А.Архипченко, О.В.Орлова, Ю.М.Лихачев, М.Я.Федашко //Экология и промышленность России. — 2000.- № 7.- С.16 – 22.

32. Кулинич, О. А. Биодеструктор свиного навоза. МикрозимВэйстТрит — биотехнология очистки, обезвреживания и деодоризации свиных стоков / О. А. Кулинич, В. В. Ларченко // Свиноводство. — 2016. — № 2. — С. 38-40.

33. Сидоренко, О. Д. Использование продуктов биоконверсии отходов животноводства в качестве органических удобрений (концепция) / О.Д. Сидоренко // Агрохимия. — 2018. — № 4. — С. 36-.

34. Орлова О.В. Биоорганические добавки для ускорения дозревания компоста из ТБО / О.В. Орлова, Н.А. Петухова, И.А.Архипченко //Экология и промышленность России. — 2008.- №10.- С.38 – 40.

35. Fester, C.F. Organic amendment effects on physical and chemical properties of a sands Jail / C.F. Fester // Soil Sc. Soc. American .– 1990.- №5.- P.827-831.

36.Азимов, Д.А. Биогумус позволит оздоровить почву и повысить урожай / Д.А. Азимов //Земледелие. — №7.- 1991. — С.22.

37. Мозженин, Н.М. Стимуляция образования физиологически активных веществ в почве органическими удобрениями / Н.М. Мозженин//Использование торфа и торфяников в сельском хозяйстве Западной Сибири. — Новосибирск, 1985.- с.55-61.

38. Умпелев, В.Л. Ферментативная активность вермикомпоста /В.Л. Успелов, Н.А.Сафронова //Ивано-Франковск ЦНТИ ассоциации «Биоконверсия», 1993.- с.13.

39. Пономарева, С.И. Скорость образования в почве кальцита дождевыми червями / С.И. Пономарева //Доклад ы АН СССР.- 1948.- Т.61.- №3.- с.505-507.

40.Касатиков, В.А. Эффективность действия вермикомпоста на агробиологические свойства почвы / В.А. Касатиков, М.Е.Кравченко, С.М.Куленичев //Тез. доклад II конгресса «Биоконверсия органических отходов народного хозяйства и охрана окружающей среды Ивано-Франковск. — 1992.-с.71.

41. Обезвреживание навоза от жизнеспособных семян сорняков / В.А.Андреев, А.В.Быкова, П.Д. Попов.- М.: Росагропромиздат, 1988.- 40 с.

42. Терещенко, Н.Н. Качественный состав микроорганизмов и сапрофитов в вермикоспосте разной биотехнологии / Н.Н. Терещенко, В.Н.Гучак //Проблемы экологии в сельском хозяйств. – 1993. -Ч.I.- С.31-33.

43.Слободян, В.А. Влияние вермикомпоста на микробиологические процессы в почве / В.А. Слободян, Н.С. Слободян//Химия в сельском хозяйстве. -1994.- №4.- С.8.

44. Васильев В.А. Органические удобрения в интенсивном земледелии / В.А. Васильев,И.И. Лукьяненко, В.Г.Минеев.- М:. Колос, 1984.- С.309.

45. Архипченко, И.А. Микробиологические основы безотходной технологии переработки стоков свинооткормочных комплексов. автореф…докт.биол.наук / Ирина Александровна Архипченко. -Ленинград, 1991.- 350 с.

46. Ильин, С.Н. Ресурсосберегающая технология переработки свиного навоза с получением биогаза: автореф. дис. … канд. техн. Наук/ Сергей Николаевич Ильин.- Улан-Удэ, 2005. — 23 с.

47.ПоздняковВ.М. Оптимизация биоценозов активного ила очистных сооружений животноводческих комплексов для снижения антропогенной нагрузки на водные экосистемы. дисс….. канд. биол. наук / Виктор Михайлович Поздняков .- Москва, 2000. – 239 с.

48. Очистка сточных вод промышленных животноводческих комплексов/ В.Ю.Трекало,А.Н. Волкова, А.И.Лукин, Н.Б.Федотова, В.И.Яковлев //Химия и технология воды.-1985.-Т.7.- № 2.- С.72-74.

49.Борисенко, Е.Г. Разработка комплексной технологии белковых препаратов на основе нетрадиционного сырья / Е.Г. Борисенко.- М.- 1990.- 474 с.

50. Егоров, Н.С. Основы учения об антибиотиках / Н.С. Егоров. М.: Наука, 2004.-528 с.

51. Практикум по микробиологии: учебн. пособ. для студ. высш. учеб. заведений /Нетрусов А.И., Захарчук Л.М. и др. под ред. НетрусоваА.И. Москва: Академия, 2005.– 608с.

52. Irmis, M. A Guide to methods and applications /M.Irmis, D.Gelfand, J. Sninsky//PCR Protocols.- 1998.-P.14-15

53.Pavlicek, A., et al. Fre-Tree-freeware program for construction of phylogenetic trees on the basis of distance data and bootstrap jackknife analysis of tree robustness / A. Pavlicek. //Application in the RAPD analysis of genus Frenkelia Folia Biol (Praha).-1999.- V. 45(3).-P. 97–99/

54. Твердофазное и поверхностно-мембранное жидкостное культивирование микромицетов, особенности их развития и образования ферментов /А.А.Осмоловский, Н. А. Баранова, В. Г. Крейер, Н.С. Егоров//Прикладная биохимия и микробиология. -2014.- Т.50.- №3.-С. 245 — 255.

55. Никитенко, М.В. Препарат споробактерин жидкий / М.В. Никитенко, В.И.Никитенко //Патент РФ №2217154. — 27.11.2003.

56. Буракаева, А.Д. Микофильные грибы — продуценты практически важных продуктов: монография / А.Д. Буракаева.-Оренбург: Экспресс-печать, 2013. –160с.

57. Manachini, P.L. TermostablealkalineproteaseprodacedbyBacillustermoruber-newspeclesofBacillus / P.L. Manachiniт, M.G. Fortina, C. Parini // Appl.Microbiol.Biotechnol.-1988. — № 28(4/6).-P. 409 – 413.

58.Филиппович, Ю.Б. Практикумпообщейбиохимии /Ю.Б. Филиппович, Т.А. Егорова, Г.А. Севастьянова. – Москва: Просвещение,1982.- 179 с.

59. Рогожин, В. В. Практикум по физиологии и биохимии растений: учеб. пособие / В.В. Рогожин, Рогожина Т.В. — СПб: ГИОРД, 2013.-352 с.

60. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) /Б.А. Доспехов.-М.: Книга по требованию, 2012.-352с.

61. Жданов, П.И. Биологический и эпизоотологический аспекты производства и применения нового пробиотика из бактерий рода Bacillus в свиноводстве, автореф. дисс. докт. ветер. наук / Петр Иванович Жданов, 1997.-30 с.

Список опубликованных работ по теме исследования

Scopus

1. Буракаева, А.Д. Перспективы использования штаммов родаHypomyces для получения вермикомпостов с фунгицидными и ростстимулирующими свойствами /А. Д. Буракаева, Г.В. Петрова // Биотехнология. – 2020 (подана).

2. Петрова, Г.В. Разработка органо-биологической системы удобрения на основе птичьего помета, повышающая плодородие черноземов южных и продуктивность культур полевого севооборота /Г.В.Петрова, А.Д.Буракаева, С.В. Сорокун, //Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук.- 2020 (подана ).

RCSI

1. Петрова, Г.В. Получение органического продукта, обладающего свойством биоудобрения путем биоконверсии птичьего помета / Г.В. Петрова, А.Д. Буракаева, С.В. Сорокун//Вестник КрасГАУ. — 2020.- №12 (165).- С.90-95. DOI:10.36718/1819-4036-2020-12-90-95.
2. Петрова, Г.В. Утилизация отходов свинооткормочного комплекса с получением высокоэффективного органического удобрения/ Г.В. Петрова, А.М. Русанов, А.Д.Буракаева//Почвоведение. — 2020( подана).
3. Петрова, Г.В. Применение СВЧ-излучений для обеззараживания птичьего помета / Г.В. Петрова, А.Д. Буракаева, С.В. Сорокун // Известия ОГАУ. -2020.- №5 (85).- С.145-148.

Участие в конференциях

1. Петрова, Г.В. Проблемы утилизации стоков предприятий мясопереработки/ Г.В. Петрова // Материалы Международного научно-практического форума «ASU SciTechForum 2020», 12-13 ноября 2020 г. в Алтайском государственном университете (г. Барнаул, Россия).
2. Петрова, Г.В. Проблемы утилизации отходов птицеводства»/Г.В. Петрова. — ЦПО «Парадигма.83-ая международная форум «Обращение с органическими отходами. Опыт и перспективы». — 20-21 октября 2020 г. — Москва.

Заявки на патент

1.Петрова, Г.В. Применение штамма Bacillussubtilis 534 для обеззараживания и утилизации помета с получением органического продукта, обладающего свойством удобрения /Г.В. Петрова, А.Д.Буракаева, С.В. Сорокун. — Заявка на изобретение № 2020131900 от 05.05. 2020.

2.Буракаева, А.Д. Способ получения биоудобрения, обладающего фунгицидными свойствами /А.Д. Буракаева, Г.В. Петрова. — Заявка на изобретение. — 2020, подана.

РЕФЕРАТ

Отчет 169 с., 34 рис., 40 табл., 79 источников, 17 приложений.

Аналитический обзор развития НУЛЕВЫХ ОБРАБОТОК. результаты многолетних стационарных исследований по разработке технологий сберегающего земледелия, экономическое обоснование ресурсосберегающих технологий, создание СЕВООБОРОТОВ для ПРЯМОГО ПОСЕВА.

Объектами исследования служили черноземные почвы степной зоны и их плодородие, зерновые, зернобобовые, масличные и кормовые культуры и ресурсосберегающие технологии их возделывания.

Цель данной работы состояла в разработке и рекомендациях производству наиболее эффективных севооборотов для технологии прямого посева в различных почвенно-климатических зонах Оренбургской области.

В работе приведены результаты комплексных исследований в многолетних стационарах по влиянию 4 различных по степени минимализации систем обработки почвы на изменение плодородия почв, эффективность использования зональных ресурсов увлажнения, фитосанитарное состояние и продуктивность посевов. Рассчитана экономическая эффективность возделывания основных сельскохозяйственных культур по технологии сберегающего земледелия.

Разработаны и предложены производству севообороты эффективные при выращивании культур по ресурсосберегающим технологиям и прямого посева на черноземных почвах степной зоны Южного Урала. Выявлено влияние различных способов основной обработки почвы, прямого посева и технологий посева на формирование урожая полевых культур, предложены эффективные технологические приемы выращивания сельскохозяйственных культур.

В результате научного исследования представлен научный отчет содержащий:

– аналитический обзор сберегающего земледелия для повышения плодородия почв и обоснование целей и задач исследований;

– детально раскрыты условия проведения исследований;

– изучено влияние ресурсосберегающих технологий выращивания полевых культур и севооборотов с прямым посевом на плодородие почвы, эффективное использование влаги полевыми культурами и их продуктивности;

– представлены экономическая эффективность возделывания сельскохозяйственных культур по технологии сберегающего земледелия, а также наиболее эффективные технологические приемы выращивания сельскохозяйственных культур при использовании нулевых обработок.

–даны рекомендации производству наиболее эффективных севооборотов для технологии прямого посева для Западной, Центральной и Восточной почвенно-климатических зон Оренбургской области.

Введение

Современные мировые тенденции развития сельского хозяйства предъявляют определенные требования к широкому внедрению в стране новых технологий, одним из главных условий которых является обеспечение устойчивости агроэкосистем и сохранение плодородия почвы, чему во многом способствует освоение технологии прямого посева.

В Оренбургском ГАУ в течение 30 лет ведутся широкомасштабные исследования по разработке ресурсосберегающих технологических комплексов возделывания широкого набора сельскохозяйственных культур, биологических способов воспроизводства почвенного плодородия, изучению эффективности современных машин и оборудования, в т.ч. и для системы нулевой обработки почвы, результаты которых и нашли отражение в данном отчете.

Одним из ключевых элементов системы нулевой обработки почвы является севооборот. При отсутствии механической обработки почвы значение севооборотов возрастает многократно. Для проектирования схем севооборотов в хозяйствах, где используется нулевая обработка необходимо придерживаться принципа ежегодного чередования злаковых и широко-листных культур, смены культур теплого и холодного периода, а также принципа влияния предшественника на культуру — аллелопатия и синергизм. При соблюдении таких принципов неизбежно создаются синергетические связи с постепенным улучшением питательного режима, микробиологической активностью, количества и качества органического вещества, структурного и фитосанитарного состояния поля.

Эффективность таких севооборотов зависит не только от набора в нем с/х культур, но и от почвенно-климатических условий, где он используется.

В связи с этим, целью нашей работы является разработка и рекомендации производству наиболее эффективных севооборотовдля

технологии прямого посева для различных почвенно-климатических зон Оренбургской области.

Задачи исследований:

— провести комплексные исследования по разработке ресурсосберегающих технологий выращивания полевых культур в различных севооборотах;

— изучить влияние культур на агрофизические и агрохимические показатели плодородия черноземов;

— установить закономерности накопления и расходования влаги, фитосанитарное состояние посевов в зависимости от изучаемых агроприемов;

— определить продуктивность и качество растениеводческой продукции в зависимости от изучаемыхагроприемов;

— выявить наиболее оптимальные технологические приемы по величине урожая и экономической эффективности возделывания полевых культур.

1 Обзор состояния изученности вопроса (развитие прямого посева, преимущества и недостатки нулевых обработок почвы)

Важнейшим элементом агротехнологий является основная обработка почвы, которая пройдя длительный путь развития от примитивных до современных интенсивных приемов, осталась самым значимым, самым трудоемким и самым проблематичным элементом систем земледелия (И.П. Макаров, 2003).

Вплоть до середины прошлого столетия практики и теоретики земледелия в подавляющем большинстве придерживались традиционных представлений о вспашке. К этому времени накопилось очень много негативных примеров о последствиях данного вида обработки на развитие эрозии и падения плодородия почв. Так, поданным Почвенного института им. В.В. Докучаева, запасы гумуса лучших в мире русских чернозёмах за 70 лет после распашки уменьшились почти на 250 т/га, водоудерживающая способность их сократилась на 500 – 600 т, а потенциальная урожайность – на 0,5 – 0,6 т/га сухого зерна в год. По мнению Саратовских учёных ежегодно чернозёмами теряется от 0,01 до 0,03 % гумуса, каштановыми почвами – от 0,01 до 0,02 %. За последние 30 лет содержание гумуса в почвах Саратовской области уменьшилось на 0,3-0,5 % (Системы земледелия Саратовской области, 1999).

Содержание гумуса в чернозёмах типичных тучных Оренбургской области снизилось с 12,5 до 9,5 %, обыкновенных – с 7,4 до 5,7 %, южных – с 7,1 до 5,6 %, и тёмно-каштановых – с 4,2 до 3,2 % (Е.В. Блохин, 1997).

Ежегодные потери гумуса при отвальной обработке бессменного пара достигали 3,4 т/га, а безотвальной – 1,7 т/га. За 12 лет пары потеряли 0,8 абсолютных процента гумуса, с 4,8 до 4,0 % (Н.А. Максютов, 2007).

По причине развития ветровой эрозии возникла необходимость замены вспашки плоскорезной обработкой. Однако применение почвозащитной технологии привели к тому, что за 50 лет после распашки целинных земель потери гумуса составили 30 % (В.Д. Двуреченский, 2006). Следовательно, глобальная проблема, связанная с деградацией почв при ее обработке до конца не была решена.

Новый толчок к внедрению альтернативных вспашке способов обработки почвы, которые впоследствии стали именоваться энерго- или ресурсосберегающими, дал энергетический кризис, разразившийся в начале 70-х годов. Поиск новых технологий возделывания сельскохозяйственных культур шёл не только по пути замены вспашки на безотвальную обработку, но и уменьшения глубины обработки и даже полного отказа от неё, которая позже получила название нулевой обработки почвы.

В современной отечественной и мировой практике из огромного количества ресурсосберегающих технологий наиболее распространёнными являются минимальная (Mini-till) и нулевая (No-till).

Mini-till технологии основаны на осенних одно или двукратных обработках дисковыми и плоскорежущими орудиями на глубину 5…14 см.

No-till технология — прямой посев в необработанную почву. М.К. Сулейменов дает следующее определение No-till: — это система земледелия, при которой полностью исключается обработка почвы под все культуры в течение длительного времени».

В разных странах она имеет различные названия. В Северной Америке она называется No-Till (notillage -без обработки), в Австралии — ZeroTill (нулевая обработка). Англичане и латиноамериканцы ее называют системой прямого посева.

No-till технология — это не просто новая система земледелия, призванная заменить традиционные и модернизированные системы землепользования. Это принципиально новая философия землепользования ХХI века. Она предполагает восстановление и дальнейшее развитие биологического круговорота питательных веществ в экологической системе «растение — почва», в которой главная роль принадлежит растениям возделываемых культур как поставщикам неиссякаемой энергии Солнца посредством механизма фотосинтеза органического вещества.

Сегодня No-till технология является более перспективным направлением, чем Mini-till по многим причинам, основные из которых:

-сохранение и более быстрое восстановление плодородия почвы;

-практически полное предотвращение водной и ветровой эрозии почвы;

-накопление влаги в почве и более эффективное её использование культурами, в итоге снижение зависимости урожая от погоды;

-экономия ресурсов – горючего, удобрения, трудозатрат, времени, снижение амортизационных затрат;

— увеличение урожайности культур за счёт вышеуказанных факторов.

По данной технологии сейчас в мире обрабатывается более 145 млн.га земель (Фридрих, Т, 2010).

Сам термин «No-till» в переводе с английского означающий – «не пахать», пришел к нам из Северной Америки. История данной технологии началась в 1955 году в Англии, где специалисты компании Ай-си-ай изобрели гербицид паракват. В США впервые фермер Гари Анг применил эту технологию в 1962 году в штате Кентукки, чем заслужил титул основателя No-till.

В нашей стране впервые на постсоветском пространстве в 2000 году, были заложены опыты по изучению технологии no-till в Карагандинском НИИ растениеводства и селекции. На Украине в холдинге «Агро-Союз» практическое освоение no-till начато в 2001 году, а в Кустанайском НИИ сельского хозяйства — с 2005 года.

Сегодня в освоении прямого посева в России лидирующие позиции занимают Белгородская область и Ставропольский край. После засухи 2010г. активизировался процесс внедрения нулевой технологии и в других регионах (Волгоградской, Оренбургской, Самарской, Саратовской областях, Алтайском и Краснодарском краях). Из стран СНГ активнее внедрение прямого посева происходит в Казахстане.

Тем не менее, не смотря на столь значительные сроки, не прекращаются споры об эффективности данной технологии. Одни считают ее высокоэффективной, способствующей росту урожайности и экономической эффективности растениеводства, другие, напротив, — неприемлемой для почвенных и климатических условий нашей страны. Зачастую ученые, опираясь на данные своих научных исследований, обосновывают непригодность этой технологии (Солодовников А.П. и др.,2015), в то время как производственники в этих же условиях много лет подряд получают по ней хорошие результаты (Сафиулин М.Р., 2015).

Так профессор, доктор сельскохозяйственных наук, сотрудник Нижне-Волжского НИИСХ А.М. Беляков считает, что переход на нулевые технологии несёт в себе определенный риск и по этой причине требуются дополнительные исследования в различных почвенно-климатических зонах.

Главным звеном No-till является севооборот, определяющий успех контроля над численностью сорняков, развитием болезней, вредителей и в целом эффективность производства растениеводческой продукции. Этот вопрос в Оренбургской области ранее не изучался.

Нерешенным остается вопрос о целесообразности периодического глубокого рыхления почвы в ресурсосберегающих технологиях, с целью разуплотнения почвы и увеличения тем самым её водопроницаемости. Так как при длительном применении нулевых и мелких обработок происходит переуплотнение слоя почвы от 5-10 см до 20-30 см, образуется сплошная «плужная» подошва. Но как предполагают ряд ученых, включение в севооборот культур со стержневой корневой системой (подсолнечник, рапс, и др.) позволит её устранить. К тому же, по мнению исследователей, покрытие поверхности почвы органической мульчей (незерновой частью урожая) способствует активному разуплотнению почвы.

При использовании нулевых технологий проблемы эрозионного характера и деградации почв решаются практически полностью. Об этом свидетельствую целый ряд исследований у нас и за рубежом(Sturnyetal., 2007; PhillipsandYoung, 1973; ReicoskyandCrovetto, 2014; Байбеков, 2018).

Однако этот процесс очень сложный, поскольку связан с преодолением ряда недостатков. Главный из которых – повышение засоренности посевов. Переход на «нулевые» и безотвальные технологии приводит к росту засоренности посевов полевых культур в сравнении с традиционной отвальной. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования зарубежных и отечественных ученых (В.И. Румянцев, 1967; Н.А. Максютов, 1985, 1999; Н.С. Немцев, 1989; Г.И. Баздырев, 1990, 1991; А.А. Борин, 1995; Ю.И. Бочаров, 1995; В.М. Новиков, 1996; Н.В. Терфильев, 1998; А.В. Кислов, 2001, 2003; З.М. Азизов, 2006;R.O. Cannel, 1985; T.J. Brassungton, 1987).

Но надо сказать, что этот недостаток в настоящее время достаточно успешно устраняется с помощью гербицидов, подбором и правильным чередованием культур, регулированием сроков и норм посева и другими способами.

Большую, чем засоренность посевов, проблему при внедрении ресурсосберегающих технологий представляет уплотнение почвы. Уплотнение почвы – это физическая форма деградации почвы, которая изменяет структуру почвы и влияет на её продуктивность (Muelleretal., 2010). Особенно сильно культуры снижают свою продуктивность при достижении почвой критического значения плотности. Критические значения – это такие их величины, которые в результате деградационных процессов достигают условно необратимого уровня изменения, снижающего общий уровень плодородия почв (Медведев, 1990).Критические значения плотности черноземов составляют величины более 1,35 г/см³в тяжелосуглинистых и более 1,30 г/см³в легкоглинистых разновидностях (Кузнецова etal., 1990).

Варьирование плотности почвы напрямую зависит от способа обработки почвы. Так, в 13-летнем опыте, проведенном на северо-востоке Турции в условиях семиаридного климата, со среднегодовой температурой воздуха 5,6 °С и количеством осадков 427 мм, т. е. очень близкого к климату в рассматриваемой зоне, плотность на вспаханном участке в слое 0…30 см составляла 1,25 г/см³, при минимальной обработке – 1,24 г/см³, в варианте No-till – 1,29 г/см³ (Gozubuyuketal., 2014).

Уплотнение почвы считается важной проблемой, поэтому объёмная масса входит в число самых значимых показателей, используемых для оценки воздействия обработки на почву и урожайность (Bellotti, 2014). Плотность интегрирует в себе целый ряд показателей плодородия почвы, с которыми у неё имеется тесная зависимость. Она коррелируют с пористостью, а значит с гидрологическими процессами (сток, скорость инфильтрации и водоудерживающая способность) и аэрацией (Schoenholtzetal., 2000), притом, что определяется простыми, быстрыми и недорогими методами.

Например, после 40 лет применения тяжелых машин в США многие почвы стали плотнее на 20 %, ежегодные убытки от этого, по оценке ученых, превысили 1 млрд. долларов (Г.Л. Тышкевич, 1991).

На увеличение плотности почвы при мелких и нулевых обработках, в сравнении со вспашкой, указывают подавляющее большинство исследователей и практиков (А.И. Пупонин, 1989; Г.И. Казаков, 1997; С.К. Мингалев, 2004; З.М. Азизов, 2006 и др.).

В тоже время ряд авторов считают, что увеличение плотности пахотного слоя почвы при использовании минимальной обработки не приводит к снижению урожайности, поскольку объемная масса почвы остается в пределах оптимальных для большинства культур значений. Сложности возникают при применении минимальной обработки в качестве системы обработки почвы в севооборотах. Дело в том, что при систематическом многократном воздействии почвообрабатывающей техники и особенно ходовых систем тракторов на почву происходит накопление и сохранение остаточной деформации. Причем это явление носит кумулятивный характер и идет быстрее, чем процесс разрыхления почвы под воздействием природных факторов (Н.С. Матюк, 1999). С этим согласны и вышеуказанные авторы.

С 90-х годов в России наметилась тенденция к переходу на технологии мульчированного и прямого посева. Так, с 1998 года начала работать программа «Совершенствование производства зерна в Самарской области с применением ресурсосберегающих технологий». Экономический анализ показал, что внедрение этих технологий позволило хозяйствам снизить нагрузку на использование техники в расчете на 100 га до 1300 ч, что в 2,4 раза ниже, чем по традиционной технологии. Расход топлива составил 30 л/га или в 2 раза меньше, чем в среднем по области (Л.В. Орлова, 2004).

Развитие ресурсосберегающих технологий в мировом масштабе является устойчивой тенденцией.

Рост площадей под ресурсосберегающими технологиями носит ярко выраженный экспоненциальный характер. В настоящее время в мире около 300 млн. га обрабатывается по минимальным технологиям и около 100 млн. га – по нулевой. В Великобритании, Германии, Франции и других европейских странах минимальная обработка почвы и прямой посев применяется на 32 % площадей, в Северной Америке – на 60 %, в Австралии – на 90 %., а в России – менее чем на 2 %. Но применяемые у нас технологии крайне упрощены вследствие тяжелого финансового положения хозяйств, низкой технологической оснащенности.

Резервом роста урожайности является наиболее полная реализация потенциальной продуктивности возделываемых сортов, эффективное использование почвенно-климатических ресурсов. Последний из них, следует рассматривать как один из наиболее важных факторов сельскохозяйственного производства. Эти ресурсы ограничены, и они должны использоваться для выращивания специфических культур в конкретных условиях.

Недостаточная влагообеспеченность территории Оренбургской области определили следующий набор культур: пшеница (яровая и озимая), рожь озимая, ячмень, овес, горох, просо, сорго на зерно, подсолнечник.Но даже у этих достаточно засухоустойчивых культур фактическая урожайность остается на низком уровне. Среднемноголетняя урожайность яровой пшеницы в центральной зоне области составляет 11,4 ц/га с колебаниями от 5 до 20 ц/га.

Увеличение и стабилизация производства зерна является по-прежнему приоритетной задачей растениеводства, поэтому разработка стратегических задач развития отрасли в условиях глобального и регионального изменения климата, а также экономических условий имеет важнейшее значение.

Урожайность зерновых и зернобобовых культур в Оренбургской области остается на недостаточно высоком уровне при средней урожайности зерновых культур не превышающей 10 ц/га. В среднем за последние 10 лет в области она составила 9,8 ц/га (табл.1)

Таблица 1 -Динамика урожайности яровых зерновых и зернобобовых культур в Оренбургской области

Одной из основных проблем получения стабильных урожаев в Оренбургской области являются неблагоприятные погодные условия.Система No-Tillв перспективе должна сделатьрастениеводство управляемым, прогнозируемым и экономически эффективным. При нынешней организации сельского хозяйства урожай на 80% зависит от природы. При системе No-Till влияние погоды и климата на эффективность растениеводства сведено к 20%. Остальные 80% приходятся на технологии и управление в сельском хозяйстве, объединенные в одну систему.

Засуха в последние несколько лет в Оренбуржье в наибольшей степени отразилась на урожайности яровых зерновых культур и основная часть валового сбора зерна, особенно в условиях 2016 г., получена за счет озимых, их доля составила 1 млн. 64,1 тыс. тонн, или 32% от общего валового сбора.В 2020 году достигнут областной рекорд по сбору озимых культур − 2 млн.051,0 тыс. тонн при средней урожайности 27,9 центнера/га или 55 % от общего намолота зерновых.

Министерство сельского хозяйства Оренбургской области характеризует состояние отрасли растениеводства области в последнее время как стабильное. Одну из основных причин стабилизации производства оно видит в широком применении в области энерго и влагосберегающиих технологий, которые позволяют снижать себестоимость производства.

По этой причине,направление, взятое на внедрение нулевых обработок в специально созданных для этого севооборотах, призвано полнее использовать внутренние биологические ресурсы воспроизводства почвенного плодородия, рационально применять техногенные ресурсы, повышать эффективность зональных условий увлажнения и имеющегося производственного потенциала.

2 Условия проведения исследований

2.1 Местоположение и почвенная характеристика опытного участка

Основные стационарные опыты заложены на опытном поле ОГАУ, расположенном в 15 километрах восточнее города Оренбурга на правом берегу реки Урал на юго-восточной окраине Оренбургского Предуралья. Территория хозяйства расположена на обширной волнисто-увалистой равнине, приподнятой на 200-400 м над уровнем моря, с водораздельными увалами и грядами Общего Сырта, чередующимися с обширными выровненными пространствами террас крупных рек. По характеру геолого-геоморфологического строения, климатическим условиям, характеру почвообразующих пород и почвенному покрову территория землепользования ОГАУ является типичной для зоны южных степей Оренбургского Предуралья.

Опытный участок расположен в основании очень пологого склона Урало — Сакмарского водораздела. Уклон не превышает 0,5-1,1^°и направлен на юго-восток к террасе реки Урал.

Почвообразующей породой опытного участка является делювий пермских отложений. Гранулометрический состав делювиальных отложений изменяется от супесчаного до глинистого. Характерной особенностью их является высокаякарбонатность, новообразования карбонатов представлены мицелием и белоглазкой. Содержание карбонатов колеблется от 15,3 до 23,2%. Высокаякарбонатность пород обусловливает слабощелочную реакцию почвы (рН 7,2-7,8). Содержание аниона НСО₃^— составляет 0,280 – 0,340 мг/экв на 100 г почвы. Сумма водорастворимых солей не превышает 0,11 %, что свидетельствует об отсутствии засоления.

Содержание гумуса в слое почвы 0-25см опытного участка колеблется от 3,1 до 4,4%. Почвы обеспечены в средней степени фосфором (19-28 мг/кг почвы); в средней (217-290 мг/кг почвы) и повышенной степени (311-400мг/кг почвы) подвижного калия, но в очень низкой и низкой степени нитратным азотом (2,3-7,0 мг/кг почвы).

Из микроэлементов для почв опытного участка характерно очень низкое содержание меди (0,11-0,20 мг/кг почвы); марганца – (5-13 мг/кг почвы); а также низкое и среднее содержание цинка – (0,4-0,7 мг/кг почвы).

Почва опытного участка — чернозем южный карбонатный среднемощный тяжелосуглинистый.

2.2 Погодные условия за период исследований

В осенний период 2011 года выпало много осадков, особенно в сентябре – 67 мм, что вдвое больше нормы. Осадки в зимний период были небольшими, за ноябрь-апрель сумма составила всего 110 мм. В мае и июле выпало соответственно 20 и 42 мм, что послужило хорошим дополнением влаги.

Осенний период 2012 года был благоприятным по увлажнению, осадков выпало в сентябре 35 мм, октябре – 17 и ноябре – 46 мм. Октябрь и ноябрь были теплее обычного. В апреле также осадков было меньше нормы – 22 мм против 25 мм, а температура воздуха была выше нормы на 5,2^оС в мае — на 1,5^оС. Осадков в мае выпало 11 мм при норме 41 мм. Нарастание температуры продолжилось в июне и июле, число дней с относительной влажностью менее 30% составили за май – июль – 60 дней при дефиците осадков.

Конец июля и начало августа оказались дождливыми, и за два месяца в сумме выпало 181мм осадков.

Таким образом, 2012-2013 год характеризовался весенне-летней засухой, осадков выпало за год 462 мм против 367 мм по норме, но они выпали во второй половине лета, задержав уборку всех культур.

Осень 2013 года была дождливой, что способствовало хорошей влагозарядке, однако, отсутствие осадков в мае, в первой и третьей декадах июня, а также в июле 2014 года сказалось на величине урожая. По существу за весь период вегетации лишь во второй декаде июня выпало 34,0 мм. За весь летний период май-август сумма осадков составила 63 мм, но половина из них выпала в неусвояемой форме, не превышающей 5-6 мм и быстро испарившихся с поверхности почвы.

За осень 2014 года в почве на опытном участке накопилось небольшое количество продуктивной влаги, так как выпало всего лишь 46 мм осадков. В целом зима 2014-2015года была теплее обычного, в декабре на 3,4°С, в январе на 2,1°Си феврале на 3,6°С.За зимний период сумма осадков была приближена к среднемноголетним значениям. Это привело к тому, что в марте запасы влаги в почве были очень низкими. Но благодаря обильным осадкам – 97мм, выпавшим за период апрель-май 2015 года, сложились благоприятные условия для прорастания и развития сельскохозяйственных культур. Особенностью погодных условий марта было практически отсутствие осадков и повышенный температурный режим воздуха на 2,8°С выше нормы. В апреле превышение его нормы составило на 1,0°С, с максимальной температурой воздуха 25°С, на почве 16°С и обильным выпадением осадков, 47мм против 25мм. Число суховейных дней составило 6, в основном в третьей декаде. Май характеризовался большим количеством выпавших осадков. В третьей декаде мая температура воздуха превышала норму на 5,4°С, с максимальной температурой на поверхности почвы 58°С и числом суховейных дней 7.

Условия увлажнения летнего периода 2015 года можно оценить как экстремальные. За июнь-август осадков выпало 77мм, что соответствует 67% от нормы. При этом показатели температуры воздуха в летний период превышали среднемноголетние значения в 0,5°С.

В целом за 2014-2015 сельскохозяйственные годы недобор осадков составил 75 мм (норма 367 мм) с превышением температуры воздуха 1,1°С.

Погодные условия 2015-2016 года были приближены к среднемноголетним показателям. За год выпало 359 мм осадков при среднемноголетнем значении 367.

Сложившиеся погодные условия весенне-летнего 2016 года можно считать аномальными, а сам сельскохозяйственный год – резко-засушливым. За июнь месяц выпало всего лишь 13 мм осадков при среднемноголетнем значении 39мм. В июле месяце также количество осадков было ниже нормы в два раза, а в августе, в период формирования зерна осадки практически отсутствовали – выпало всего лишь 2 мм.

Осень 2016 года была дождливой, что способствовало хорошей влагозарядке, однако, недостаток осадков в апреле и в 1-2 декадах мая, а также в августе 2017 года повлияло на развитие растений. По существу, за весь период вегетации лишь во второй декаде июля выпало 30,0 мм. В целом за 2016-2017 сельскохозяйственные годы количество осадков составило 375мм (норма 367 мм), что на 8 мм превысило среднемноголетние значения. Температуры воздуха в среднем за год также превысила среднемноголетние значения на 0,5°С.

За осень 2017 года и зиму, осадков выпало всего лишь 62% от среднемноголетних значений. За период май-август в 2018 году выпало 79мм осадков, что соответствует менее 50% нормы, а за год количество осадков составило 244 мм (норма 367 мм), что на 123 мм ниже среднемноголетних значений. Поэтому 2017-2018 сельскохозяйственный год можно охарактеризовать, как резко-засушливый. Температуры воздуха в среднем за год также превысила среднемноголетние значения на 1,5°С.

Погодные условия 2018-2019 года сложились следующим образом. Осенью 2018 года количество выпавших осадков было крайне мало. Зимой количество осадков соответствовало среднемноголетним значениям. За май 2019 года выпало 33 мм осадков, что соответствует 78% от нормы. Июнь был крайне засушливым, но в июле выпало 2,5 месячной нормы осадков. В августе количество осадков соответствовало норме, и запасы влаги в почве были достаточными для развития растений.

Температурные условия в период май-август были немного выше среднемноголетних значений на 0,7^оС. При этом в мае температура превышала норму на 2,5^оС.

В целом сложившиеся погодные условия за период май-август 2019 года можно оценить как благоприятные для роста и развития растений.

Осенние условия 2018 года и зимние 2019 года складывались следующим образом, осадков выпало 136 мм, что соответствовало 76% от среднемноголетних значений. За вегетационный период 2019 года сумма выпавших осадков составила 178 мм или 134 % от нормы.

Годовое количество осадков составило 365 мм, что на 7 мм превысило среднемноголетние значения (358мм). Температурный режим воздуха также превысил среднемноголетние значения на 1,1°С.

Условия увлажнения в период вегетации растений в 2019 году были благоприятными, так за период май-август выпало 178 мм осадков, при норме 133мм. Создавшиеся погодные условия дали возможность культуре сформировать хорошую вегетативную массу и урожай зерна.

Количество осадков за период сентябрь-апрель 2019-2020 года составило 206 мм, что на 19 мм меньше среднемноголетних показателей.

В мае 2020 года фактическая температура месяца по данным наблюдений была выше нормы на 1,8°, осадков выпало 30 мм (100% от нормы).

В июне норма среднемесячной температуры 20,6°. Фактическая температура месяца по данным наблюдений составила 20,1°, отклонение от нормы -0,5°. Осадков выпало: 21 мм. Эта сумма составляет 59% от нормы.

В июле температура по данным наблюдений оказалась выше нормы на +3,5°, а осадков выпало 8 мм. Эта сумма составляет 19% от нормы.

Температура Августа 2020 также оказалась выше среднемноголетних значений на 0,4°, и осадков выпало крайне мало 12 мм (42% от нормы).

В целом условия развития растений в период май-август 2020 года можно оценить как экстремальные, так как выпало всего лишь 71 мм осадков, что практически в два раза ниже среднемноголетних показателей. И это не могло не сказаться на урожайности сельскохозяйственных культур.

Таблица 2 – Количество выпавших осадков вгоды исследований, мм

Таблица 3 – Среднемесячная температура вгоды исследований, ^оС

Таблица 4 — Метеорологические условия вегетационных периодов

2.3 Методика проведения исследований

Исследования проведены в учебно-опытном поле Оренбургского государственного аграрного университета, расположенного в зоне с полуаридным климатом умеренных широт Оренбургского Предуралья Оренбургского района с координатами 51°78’72″N-55°28’80″E на двух стационарах.

Исследования по изучению влияния различных культур в севообороте на агрофизические и агрохимические показатели плодородия почвы проводятся на стационарном опытном участке научно-образовательного центра ресурсосберегающего и точного земледелия с 2011года.Эксперимент организован в четырех повторностях с тремя способами обработки почвы, в качестве основного фактора:

Фактор А – способ основной обработки.

1.Прямой посев (нулевая обработка).

2.Mini-till (мелкое рыхление почвы ОПО-4,25).

3. Глубокое рыхление (Case IH ecolo-tiger).

Площадь делянки по обработке в повторности составлял 2160 кв. м (30 м*72 м), общая площадь первой повторности – 6480 кв. м.; опыта – 25920 кв. м. Делянки первого порядка (блоки по способу обработки почвы) использовались для делянок второго порядка (блоки по культурам севооборота) и накладывались перпендикулярно направлению делянок первого порядка. Севооборот был плодосменным и включал 6 культур, которые чередовались в следующем порядке:

Фактор В – культуры (севооборот)

1. Нут

2. Яровая пшеница

3. Сорго

4. Яровая пшеница

5. Подсолнечник

6. Ячмень

В этом году изучались культуры третьего года второй ротации севооборота.Размер делянок под культурами составлял 360 кв. м. (12 м*30 м). Согласно схеме опыта на No-till проводился только посев и уничтожение сорняков гербицидами: за 7 дней до посева или через 2-3 дня после посева препаратами, содержащими глифосат, на зерновых культурах, при необходимости, в фазу их кущения дополнительно применялся гербицид избирательного действия. Подсолнечник выращивался по технологии Clearfield. На Mini-tillосновная обработка осенью проводилась на глубину 10-12 см орудием ОПО-4.25. Для уничтожения сорняков второй волны посевы опрыскивались гербицидом избирательного действия.Глубокое рыхление до 2014 года проводилось на 30 см ОПО-4.25, с 2015 года на — 35 см – Case IH ecolo-tiger. Весной на обеих вариантах для закрытия влаги применялась борона BrandtCommander 7000, для предпосевной культивации ОПО-4.25. Эти приемы позволяли содержать поле чистым от сорняков, за исключением влажных лет, когда в фазу кущения зерновых приходилось использовать гербициды. Посев на всех вариантах проводили сеялкой Primera DMC 6001, с сошниками анкерного типа, опрыскивание AMAZONE UG-3000.

В ходе проведения опытов осуществлялись следующие учеты и наблюдения:

— фенологические наблюдения проводились по фазам развития растений на делянках в соответствии с методикой ГСУ;

— метеорологические наблюдения по данным Оренбургской метеостанции;

— плотность почвы определяли наиболее распространенным методом измерения плотности почвы – отбором известного объема с помощью металлического кольца, вдавливаемого в почву, и определения веса после высушивания (Вадюнина и Корчагина, 1986; McKenzieetal, 2004). Отбор проб проводился вне следа колёс посевной и уборочной техники.

— влажность почвы определялась термостатно-весовым методом. Пробы почвы отбирались почвенным буром послойно через каждые 10 см на глубину до 1 м в двукратном повторении на всех повторностях опыта перед посевом и в динамике по вегетации изучаемых в опыте культур;

— запасы продуктивной влаги – расчетным методом;

— определение засоренности проводили количественно-весовым методом. Численность сорняков определяли путем подсчета их стеблей (у многолетних) и растений (у малолетних) в фазу кущения и перед уборкой на тех же площадках, где проводился учет густоты стояния растений. Масса сорняков учитывалась в сыром виде, затем, после высушивания измельченных выделенных образцов, проводился пересчет на воздушно-сухую массу (Захаренко А.В., 2000) всхожих семян;

— урожайность зерна ячменя, нута, яровой и озимой пшеницы, сорго, рапса, сои и сафлораучитывали путем прямого комбайнирования с последующим взвешиванием зерна с каждой делянки на весах, при этом параллельно вели отбор образцов для определения влажности и засоренности зерна. Урожайные данные, после приведения к 100% чистоте и стандартной влажности подвергали математической обработке методом дисперсионного анализа (Доспехов Б.А., 1985) с помощью ЭВМ. Уборку урожая проводили комбайном Terrion — 2010.

Рисунок 1.Уборка яровой пшеницы комбайном Terrion – 2010

Для определения урожайности семян подсолнечника с каждого варианта опыта в четырех местах делянки на площади 10м²,срезали корзинки, а затем, вручную, вышелушивали семена. Учет зеленой массы сахарного сорго проводили также с площадок площадью 10м².

Химические анализы почвенных проб проводились в агрохимцентре «Оренбургский».

После уборки культур кроме подсолнечника на варианте No-tillобработку стерни проводили гербицидом «Ураган Форте» в норме 3л/га(рисунок..)

Строение почвенного профиля изучали по почвенным шурфам, раскопку которых проводили на участках с разными способами основной обработки почвы (рисунок 2).

Рисунок 2. Обработкастерни гербицидом «Ураган Форте»

Рисунок 3.Закладка шурфа.

В опыте высевали районированные сорта и гибриды: озимая пшеница Оренбургская 105, яровая пшеница Юго-Восточная 2, ячмень Натали, нут Краснокутский 36, сахарное сорго Сажень, подсолнечник – гибрид Санай.

Во втором длительном стационаре опыты по минимизации обработки почвы ведутся в шестой ротации севооборота: пар чёрный – нут – яровая пшеница мягкая – просо – овёс. Солома у всех культур, начиная с 1988 года, измельчается при уборке комбайном и заделывается в почву или остается на поверхности в зависимости от способа обработки.

Исследования по повышению продуктивности сельскохозяйственных культур путём совершенствования способов основной обработки почвы проводились в шестой ротации севооборота в период с 2017 по 2020 год.В опыте ведётся изучение 16 различных по интенсивности, в том числе минимальных систем основной обработки почвы (таблица 5).

Из представленных систем важно более углубленное изучение только четырех из представленных вариантов, представляющих большой научный интерес: ежегодную вспашку (1 вариант), ежегодное плоскорезное рыхление (6 вариант), ежегодное мелкое рыхление культиватором на 12-14 см (11 вариант) и мелкое рыхление дисковой бороной на 10-12 см либо без обработки почвы (16 вариант).

Цель и задачи исследования.

Цель работы — разработать и рекомендовать производству наиболее рациональные, почвозащитные, энергосберегающие системы обработки почвы под нут, яровую пшеницу, просо и овес, обеспечивающие получение высокой урожайности зерна и снижение производственных затрат.

Задачи исследований:

— изучить влияние различных способов и глубины обработки почвы на эффективность использования влаги в посевах нута, яровой пшеницы, проса и овса;

Таблица 5- Схема опыта по минимализации обработки почвы и разработке ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур в 6-ой ротации севооборота 2017-2022гг.

— определить реакцию нута, яровой пшеницы, проса и овса на минимизацию обработки и изменяющиеся агрофизические свойства почвы;

— установить влияние приемов обработки почвы и посева на засоренность посевов нута, яровой пшеницы, проса и овса;

— выявить наиболее оптимальные технологические приемы по величине урожая и экономической эффективности возделывания нута, яровой пшеницы, проса и овса.

Предмет и объект исследования. Объект исследования – нут, яровая пшеница, просо и овес.

Предмет исследования – способ основной обработки почвы, проводимый под изучаемые культуры.

Повторность опыта – четырехкратная на территории. Размещение – последовательное. Размер делянок составлял 900 м² (30×30м²).

В ходе проведения опытов осуществлялись следующие учеты и наблюдения:

— метеорологические наблюдения по данным Оренбургской метеостанции;

— плотность почвы методом цилиндров по С.И. Долгову на всех вариантах по слоям 0-10, 10-20 и 20-30 см в трехкратном повторении на 1 и 3 повторностяхв начале и конце вегетации;

— влажность почвы – термостатно-весовым методом. Почвенные пробы отбирались почвенным буром на глубину до 1 м послойно через каждые 10 см на всех вариантах, в трехкратном повторении на 1 и 3 повторностях, в начале и в конце вегетации сафлора. Запасы продуктивной влаги в почве определялись расчетным путем, по уже известным показателям средней плотности, полевой и максимальной гигроскопической влажности почвы;

— засоренность посевов определялась количественным методом по методике ТСХА. На вариантах со способами обработки почвы учет проводился в фазу ветвления и перед уборкой путем подсчета сорняков на пробных накладках размером 0,5 x 0,5 (0,25 м²) в четырех случайно выбранных местах каждой делянки;

— учет урожая осуществляли прямым комбайнированием;

— расчет экономической эффективности результатов исследований выполнен на основе технологических карт по нормативам и расценкам в сопоставимых ценах.

Нут

Нут – ценная бобовая культура по площади посева занимает третье место в мире среди зернобобовых культур, уступая лишь сои и фасоли. Благодаря своей устойчивости к засухе, высокому спросу на зерно и рыночной его стоимости, площади под посевами нута в Оренбургской области постоянно расширяются. Нут лучше размещать в паровом звене севооборота, так как эта культура предъявляет повышенные требования к чистоте полей и обладает низкой конкурентной способностью по отношению к сорнякам. При этом нут оставляет в почве после себя до 50-100 кг/га азота, поэтому является хорошим предшественником для последующих культур севооборота, улучшая пищевой режим почвы.

Оренбургские товаропроизводители используют разнообразные технологии возделывания нута, отличающиеся между собой, как по способам обработки почвы, так и способам посева. И на сегодняшний день нет единой рекомендованной технологии возделывания нута, разработанной для степной зоны Южного Урала, которая могла бы применяться во всех хозяйствах, обеспечивая стабильную урожайность и высокие экономические показатели.

По нашему мнению, первоочередной задачей повышения эффективности возделывания нута является снижение затрат на основную обработку почвы за счет применения ресурсосберегающих технологий, основанных на минимизации обработки почвы. При этом немаловажное значение имеет и технология возделывания нута, включающая предпосевную обработку почвы, посев и уход за посевами, и напрямую, влияющая на урожайность, качество зерна и рентабельность производства.

Экспериментальные исследования проводились в 2017-2019 годах.Целью исследований являлось установить наиболее эффективные технологии возделываниянута.

Опыт трёхфакторный:

— фактор А – способы основной обработки под сафлор (предшествующая культура) — вспашка на глубину 25-27см, плоскорезное рыхление на 25-27см, мелкое рыхление культиватором на 12-14 см и мелкое рыхление дисковой бороной на 10-12 см;

— фактор В – способы основной обработки под нут (в пару): вспашка на 28-30см, плоскорезное рыхление на 28-30см, культивация (мелкое рыхление) на 12-14см и дискование на 10-12см;

— фактор С – способ предпосевной подготовки почвы, способ посева и ухода за посевами нута: 1. Боронование БЗСС-1, посев сеялкой АУП-18.05; 2. Боронование БЗСС-1, предпосевная культивация, посев сеялкой DMC-Primera с междурядьем 37,5 см, две междурядные культивации аэратором (культиватор междурядный).

Яровая пшеница

В Оренбургской области лидирующее место, по занимаемой площади среди всех зерновых культур, принадлежит яровой пшенице. В связи с этим, перед учёными и производителями с.-х. продукции всегда открыт вопрос совершенствования технологии возделывания пшеницы, с целью повышения не только количества, но и качества получаемого урожая.

Ключевое место в технологии возделывания любой культуры принадлежит обработке почвы. Учёные постоянно совершенствуют существующие способы обработки, за счёт изменения глубины, частоты воздействия на почву и изучают новые приёмы для того чтобы, при наименьших затратах на производство получать стабильный урожай и высокую прибыль.

Исследования по повышению продуктивности яровой пшеницы путём совершенствования способов основной обработки почвы проводились в 2018-2020 гг.

Опыт двухфакторный:

— фактор А – способы основной обработки под нут (предшествующая культура) — вспашка на глубину 28-30см, плоскорезное рыхление на 28-30см, мелкое рыхление культиватором на 12-14 см и мелкое рыхление дисковой бороной на 10-12 см;

— фактор В – способы основной обработки под яровую пшеницу: вспашка на 23-25см, плоскорезное рыхление на 23-25см, культивация (мелкое рыхление) на 12-14см и дискование на 10-12см;

Посева осуществляли сеялкой АУП-18.05.

Просо

Одним из представителей семейства Мятликовых является просо. Это универсальная крупяная культура. Во-первых, крупа из проса (пшено) имеет высокую пищевую ценность, так как содержит много белка (до 12%) и жира (до 3,5%), богата незаменимыми аминокислотами, медленными углеводами и целым набором витаминов и микроэлементов.Во-вторых, зерно проса можно использовать как высококонцентрированный корм для скота и птицы, а солому и мякину — как грубый корм для крупного рогатого скота. Это говорит о хозяйственной ценности культуры.

Кроме того, просо — страховая культура. Поздний срок посева и короткий период вегетации даёт возможность использовать просо для пересева погибших озимых и ранних яровых культур и в качестве пожнивной и поукосной культуры.

Перечисленные преимущества проса говорят о необходимости применения таких технологий возделывания и способов обработки почвы, при которых увеличивается урожай и повышается качество культуры, а затраты на производство снижаются.

Исследования по повышению продуктивности проса путём совершенствования способов основной обработки почвы проводились в 2019-2020 гг.

Опыт двухфакторный:

— фактор А – способы основной обработки под яровую пшеницу: вспашка на 23-25см, плоскорезное рыхление на 23-25см, культивация (мелкое рыхление) на 12-14см и дискование на 10-12см;

— фактор В – способы основной обработки под просо: вспашка на 20-22см, плоскорезное рыхление на 20-22см, культивация (мелкое рыхление) на 12-14см и дискование на 10-12см;

Посева осуществляли сеялкой DMC-Primera.

Овес

Россия занимает первое место в мире по посевным площадям и производству зерна овса.

Основное направление использования овса кормовое, поэтому очень важно снижать себестоимость для повышения рентабельности животноводческой продукции, а для этого, прежде всего, необходимо уменьшить затраты на обработку почвы, как наиболее трудоемкую технологическую операцию.

В последние годы широкое распространение получили технологии сберегающего земледелия, основанные на минимализации обработки почвы и прямом посеве зерновых по стерне с использованием побочной продукции растениеводства, в частности соломы, в качестве удобрения при заделке в почву или оставлении в виде мульчи на поверхности.

Опыты по изучению эффективности систем основной обработки почвы под овес проводились в 2020 году.

Опыт двухфакторный:

— фактор А – способы основной обработки под яровую пшеницу: вспашка на 23-25см, плоскорезное рыхление на 23-25см, культивация (мелкое рыхление) на 12-14см и дискование на 10-12см;

— фактор В – способы основной обработки под овес: вспашка на глубину 28-27см, плоскорезное рыхление на 25-27см, мелкое рыхление культиватором на 12-14 см и мелкое рыхление дисковой бороной на 10-12 см.

Посев осуществляли сеялкой АУП-18.05.

Проверка эффективности нулевых технологий и специально разработанных для них севооборотов (рис.4) проведена в условиях производства в трех различных почвенно-климатических зонах Оренбургской области: Западной (ООО «Колос» Красногвардейского района); Центральной (КХ «Е.С. Квитко» Переволоцкого района) и Восточной (СПК «Аниховский» и ФГУП «Советская Россия» Адамовского района).

Рисунок 4.Проведение научных исследований в различных хозяйствах и почвенно-климатических зонах Оренбургской области.

3. Плодородие почвы и севообороты в ресурсосберегающих технологиях выращивания полевых культур

3.1 Строение почвенного профиля чернозема

Для воспроизводства и окультуривания почвы необходима её обработка, за счет углубления и увеличения мощности пахотного слоя, разрыхления плужной подошвы в подпахотном слое, заделки органических и минеральных удобрений.

Обработка почвы позволяет улучшать аэрацию почвы, повышать влагообеспеченность растений. Хорошо обработанная почва позволяет растениям создавать развитую мощную корневую систему. Выравнивание поверхности в процессе предпосевной обработки — позволяет создать благоприятные условия для прорастания семян и появления дружных всходов.

Но обработка может иметь и негативные последствия: нарушение динамического равновесия в системе почва — растение — окружающая среда. Интенсивная обработка почвы, активизирует жизнедеятельность почвенной микрофлоры, ускоряя минерализацию гумуса и увеличивая его потери. Разложение дернины и распыление верхнего слоя в районах с высокой долей риска ветровой эрозии создает предпосылки разрушения почвы и возникновения эрозионной опасности.

Многократные проходы сельскохозяйственной техники приводят к сильному переуплотнению верхнего слоя, ухудшая свойства, способствуя увеличению стока воды и снос почвы.

Основным плюсом применения метода «No-Till» является то, что пахотный слой (поскольку рыхление почвы не производится) лучше сохраняет влагу, поэтому технология «No-Till» чаще всего применяется в засушливых регионах и на полях со сложным рельефом, где традиционный способ вспашки в принципе невозможен.

За годы исследований, мы можем увидеть некоторые отличия морфологических признаков и на наших почвах.

Почва опытного участка — чернозем южный тяжелосуглинистый.

А_пах 0 – 26 см. Влажный, темно-коричневый, (рисунок 5) тяжелый суглинок, крупно комковатой-комковатой структуры, рыхлый, содержит корни растений. Слабое вскипание от НСl. Переход плавный по окраске.

В 26 – 41 см. Влажный, светло-коричневый тяжелый суглинок, комко-вато — крупно комковатой структуры, уплотнен, содержит мелкие корни. Сильное вскипание от НСl. Переход постепенный по окраске. Почва имеет более крупную структуру почвенных агрегатов в обоих горизонтах.

А _пах – 0 — 26см;

В — 26-42 см;

ВС — с 43 до примерно 120см

Рисунок 5. Строение почвенного профиля чернозема южного (обработка — глубокое рыхление) май, 2020г.

Как видим, с глубиной меняется окраска от темно-коричневой в пахотном слое, до светло-коричневой в подпахотном слое. Это показывает, что в верхнем более рыхлом горизонте процессы разложения и переработки органики идут быстрее, чем в более плотном ниже лежащем горизонте. И эта почва имеет более крупную структуру почвенных агрегатов в обоих горизонтах. Тогда как в почве, на которой применяется технология «No-Till» эти параметры немного отличаются (рис 6).

А 0 – 20 см. Свежий, темно-коричневый, тяжелый суглинок, комкова-то-мелкокомковатой структуры, рыхлый, содержит корни растений. Переход плавный по окраске.

Рисунок 6.Строение почвенного профиля чернозема южного, обработка «No-Till») май, 2020г.

В 20 – 47 см. Влажный, темно-коричневый тяжелый суглинок той же структуры, уплотнен, содержит мелкие корни. Переход постепенный по окраске.

Окраска почвенных горизонтов остается однородной от поверхности до нижней границы горизонта В, и структурные отдельности имеют более мелкие размеры также на протяжении всей мощности. Это говорит о том, что агрофизические показатели в этих слоях очень близки к равновесным величинам, обеспечивая благоприятные условия для развития корневой системы растений. И благодаря мощной корневой системе растений происходит измельчение структурных отдельностей в сторону оптимальных показателей. Тем самым создаются более благоприятные почвенные условия.

Также можно отметить еще одно небольшое отличие в строении почвенных горизонтов, а именно в мощности горизонта В. На участке с применением технологии «No-Till» горизонт В мощнее, чем на участке с глубоким рыхлением (27 см — «No-Till», против 15 см на глубоком рыхлении).

3.2 Агрофизические и агрохимические показатели плодородия южных черноземов Оренбуржья

3.2.1 Агрофизические показатели плодородия черноземов в различных системах обработки почвы

Плотность сложения почвы оказывает решающее влияние на водный и воздушный режимы. Она зависит, прежде всего, от гранулометрического и структурного состояния почвы, а обрабатываемого слоя – от технологии возделывания культур (Г.И. Баздырев и др., 2000).

Необходимо иметь в виду, что сельскохозяйственным культурам в связи с их индивидуальными особенностями для нормального роста и развития необходима определенная плотность, называемая оптимальной. Под ней понимается плотность, при которой урожайность при прочих равных условиях наиболее высока. Для зерновых она колеблется в пределах 1,10-1,25 г/см³, в то время как для пропашных обычно не превышает 1,05-1,20 г/см³ (В.П. Заикин, 1996). Такой широкий диапазон колебаний определяется не только потребностями культур, но и почвенно-климатическими и даже погодными условиями.

Поэтому на одном и том же поле севооборота в разные годы надо добиваться разной, но оптимальной для данной культуры плотности почвы. При этом возникает сложность, которая обуславливается уровнем равновесной плотности, она может быть оптимальной для зерновых и плотной для пропашных культур, а также действием и последствием обработок под предшествующую культуру.

Результаты наблюдений за плотностью почвы под посевами нута представлены в таблице 6.

После посева нутав слое 0-10 см почва была рыхлой на всех вариантах опыта и в среднем за три года плотность составила 1,04-1,08 г/см³. В слое 10-20 см на вспашке почвабыла рыхлой — 1,11 г/см³. На остальных вариантах плотность повышалась до 1,23-1,28 г/см³ с максимальными значениями при дисковании почвы, но не выходила за пределы оптимальной для роста и развития нута.

Таблица 6 — Плотность почвы под посевами нута в среднем за 2017-2019 гг.

Ко времени уборки нута почва уплотнялась во всех горизонтах, и в слое 10-20 см она была наиболее плотной, достигая 1,22 г/см³, что в пределах оптимума.

В среднем же по 0-30см слою почва была рыхлой на всех вариантах опыта как в начале вегетации – 1,10-1,20 г/см³, так и к уборке нута – 1,12-1,18 г/см³, с минимальными значениями на вспашке и максимальными на мелких обработках.

Результаты наблюдений за плотностью почвы под посевами яровой пшеницы представлены в таблице 7.

Таблица 7-Динамика плотности почвы под посевами яровой пшеницы в среднем за 2018-2020 гг.

В среднем за три года исследований после посева яровой пшеницыв слое 0-10 см почва была рыхлой, на всех вариантах опыта и плотность составила 1,05-1,09 г/см³. В слое 10-20см на вспашке почвабыла рыхлой — 1,15 г/см³, на остальных вариантах плотность повышалась до 1,26-1,30 г/см³ с максимальными значениями при дисковании почвы.

Ко времени уборки плотность почвы не сильно изменилась по вариантам опыта, оставаясь оптимальной для развития яровой пшеницы.

Обращает на себя внимание тот факт, что на варианте с плоскорезным рыхлением почвы в слое 20-30см плотность была наименьшей и составила весной 1,11г/см³ и к уборке – 1,15г/см³.

В среднем по пахотному слою, почва была рыхлой на всех вариантах опыта как в начале вегетации – 1,13-1,21 г/см³, так и к уборке пшеницы – 1,14-1,20 г/см³, с минимальными значениями на вспашке и максимальным на дисковании почвы.

Результаты наблюдений за плотностью почвы под посевами проса представлены в таблице 7.

После посева проса плотность пахотного слоя почвы составила 1,10-1,25 г/см³, с наименьшими показателями на интенсивных обработках. В слое 10-20см на мелких обработках почвы плотность вышла за рамки оптимальных значений для проса и составила 1,32-1,36 г/см³.

Таблица 7-Плотность сложения 0-30 см слоя почвы в посевах проса, среднее за 2019-2020 гг.

Ко времени уборки произошло значительное уплотнение почвы в слое 20-30см на всех вариантах опыта до 1,21-1,32г/см³, что привело к увеличению средних значений по пахотному слою до 1,17-1,28 г/см³, с минимальными значениями на вспашке и максимальными на мелких обработках.

Результаты наблюдений за плотностью почвы под посевами овса представлены в таблице 8.

После посеваовсав слое 0-30 см почва на вариантах со вспашкой и прямым посевом была довольно плотной и составила 1,27-1,30 г/см³. На вариантах с плоскорезным и мелким рыхлением плотность оказалась оптимальной -1,24г/см³, благодаря более рыхлому поверхностному (0-10 см) слою почвы.

Таблица 8 — Плотность сложения 0-30 см слоя почвы в посевах овса, 2020 г.

Ко времени уборки овса произошло изменение показателей плотности верхнего и нижнего слоя почвы. Так в 0-10см слое почвы плотность увеличилась на всех вариантах опыта до 1,20-1,29 г/см³. В слое 20-30см наоборот наблюдалось разуплотнение, и показатели снизились до 1,08-1,18 г/см³, с наибольшими значениями на вспашке.

3.2.2 Влияние прямого посева и культур на плотность почвы

Традиционные способы обработки почвы в долгосрочной перспективе отрицательно влияют на продуктивность пашни, из-за эрозии и потери органического вещества. В связи с этим отказ от вспашки и переход на консервирующие обработки почвы многими учёными рассматривается как неизбежность (Sturnyetal., 2007; PhillipsandYoung, 1973; ReicoskyandCrovetto, 2014; Байбеков, 2018). Консервирующие обработки, среди которых наибольшее распространение получили мелкое рыхление (Mini-till), глубокое рыхление, полосная обработка (Strip-till), и особенно нулевая обработка (No-till), останавливают падение содержания органического вещества, улучшают физико-химические и микробиологические свойства почвы (Реджи и др.2012). По мнению R. Derpsch(2016) «нулевая обработка почвы не является модой или преходящей тенденцией, это производственная система, которая получает все большее распространение из-за своих очевидных преимуществ, а также из-за экологических и экономических проблем». No-till определяется как система обработки почвы, при которой не менее 30 % растительных остатков остается на поле и является важной природоохранной практикой для уменьшения эрозии почвы (Uri, 1999). Преимуществами no-till перед вспашкой являются снижение затрат на производство продукции (Waydelin, 1995), уменьшение колебаний температуры почвы, накопление органического вещества почвы, сохранение влаги почвы (WestandPost, 2002). No-till в наибольшей степени приближает условия существования почвы и растений в естественных ценозах.

Однако имеются и негативные оценкиno-till, связанные, прежде всего, с уплотнением почвы при отсутствии рыхления (Blanco-CanquiandRuis, 2018). Особенно сильно культуры снижают свою продуктивность при достижении почвой критического значения плотности. Критические значения – это такие их величины, которые в результате деградационных процессов достигают условно необратимого уровня изменения, снижающего общий уровень плодородия почв (Медведев, 1990).Критическое значение плотности, ограничивающее рост корней, варьирует в зависимости от типа почвы. Песчаные почвы обычно имеют более высокую плотность (1,3-1,7г/см³), чем илистые и глинистые (1,1-1,6 г/см³). Почвы, богатые органическим веществом (например, торфяные почвы), могут иметь плотность менее 0,5 г/см³ (HuntandGilkes, 1992), но в целом объемная масса выше 1,6 г / см³ имеет тенденцию замедлять рост корней (McKenzieetal, 2004). Критические значения плотности черноземов составляют величины более 1,35 г/см³в тяжелосуглинистых и более 1,30 г/см³в легкоглинистых разновидностях (Кузнецова, 1990).

Уплотнение почвы считается важной проблемой, поэтому объёмная масса входит в число самых значимых показателей, используемых для оценки воздействия обработки на почву и урожайность (Bellotti, 2014).

Основная гипотеза заключалась в том, что нулевая обработка почвы вызывает уплотнение почвы и снижение урожайности в сравнении с традиционными способами обработки только в первые годы использования, в дальнейшем плотность почвы уменьшается и стабилизируется на величинах близких к равновесной, а ее продуктивность повышается.

Материалы и методы

Плотность почвы определяли наиболее распространенным методом измерения плотности почвы – отбором известного объема с помощью металлического кольца, вдавливаемого в почву, и определения веса после высушивания (Вадюнина и Корчагина, 1986). Отбор проб проводился вне следа колёс посевной и уборочной техники.

Результаты и обсуждение

Исследования показали, что глубокое рыхление позволяет поддерживать плотность почвы в пахотном горизонте 0-30 см в рыхлом состоянии. На этом варианте плотность почвы не превышала значения 1,22г/см³, при минимальном – 1,15 г/см³ (табл. 9 и рис. 7). На мелком рыхлении плотность почвы по годам изменяется в диапазоне от 1,26 г/см³до 1,29 г/см³. На нулевой обработке (no-till) до 2017 года плотность почвы превышала её значения на глубоком и мелком рыхлении, а далее стала ниже, чем на мелком рыхлении, но осталась выше, чем на глубоком рыхлении. Плотность почвы в пахотном 0-30 см слое, как мы и предполагали, постепенно повышалась до 1,36 г/см³ в 2015 году, а затем к 2020 году снизилась до 1,23 г/см³. Поскольку отбор проб проводился вне следа колёс посевной и уборочной техники можно предположить, что уплотнение почвы шло в основном под влиянием естественных факторов, хотя у нас нет исследований, раскрывающих причины уплотнения почвы при переходе от традиционного способа обработки на no-till. Необходимы специальные исследования или обзор имеющихся.

Таблица 9 -Динамика изменения плотности почвы (г/см³) в зависимости от способа основной обработки, (за 9 лет)

Мы же пока можем только указать на факт уплотнения почвы под воздействием природных факторов после отказа от глубоких рыхлений почвы. Возможно, это предположение подтверждается нашими предыдущими исследованиями, где было установлено, что плотность подпочвенного слоя 35-40 см через год после первой обработки значительно превышает её значение до обработки (Бакиров, 2009). Колебания плотности по годам, которые хорошо просматриваются на рисунке по всем вариантам, вызваны влиянием складывающихся погодных условий.

Рисунок 7. Динамика плотности почвы в слое 0-30 см при различных способах обработки: DI — глубокое рыхление; MT — мелкая обработка (Mini-till); NT — нулевая обработка (No-till).

Если исходить из положения, выдвинутого И. В. Кузнецовой (1990) о том, что значение в 1,35 г/см³ является критическим порогом для чернозёма тяжелосуглинистого, то можно утверждать, что средняя плотность почвы в пахотном горизонте только один раз и только на no-till в 2015 году превысила оптимальный порог. Между тем, анализ плотности почвы в слое 10-15 см, который на всех вариантах подвергается уплотняющему воздействию посевного агрегата, а на вариантах с традиционной обработкой, ещё и культиватора, при предпосевной обработке, то можно увидеть, что она на мелком рыхлении практически всегда выше критического значения (рис. 8).

Рисунок 8. Динамика плотности почвы в слое 10-15 см при различных способах обработки

О переуплотнении этого слоя можно судить и по состоянию корневой системы культур. На излишне уплотнённых почвах меняется форма и направление развития корней растения, что хорошо заметно на подсолнечнике (рис. 9).

На глубоком рыхлении стержень корня подсолнечника, в соответствии с его природой, растёт вглубь строго вертикально (3 А). На нулевой обработке наблюдается отклонение от вертикальной оси и значительная деформация основного корня, ее утолщение у основания, а затем резкое утончение (3 B). На мелком рыхлении, где показано наибольшее уплотнение почвы в слое 10-15 см, отмечено слабое развитие центрального корня и его горизонтальное размещение над уплотнённым слоем.Обработка почвы глубокорыхлителем осенью 2015 года, когда наблюдалась наибольшая плотность за все годы исследований, показала, что на физическое состояние почвы оказывает влияние и корневая система культуры (рис. 9).

C

B

А

А

Рисунок 9 — Влияние плотности почвы на размещение корней в почве (А – глубокое рыхление; В – нулевая обработка (no-till); С – мелкое рыхление (mini-till), 2015 г.

.

Рисунок 10. Состояние поверхности почвы после обработки глубокорых-лителемCase IH ecolo-tiger: слева после сорго; справа после яровой пшеницы (осень, 2015 год)

В левой части рисунка 10 показана делянка, обработанная глубокорыхлителем Case IH ecolo-tiger после сорго, в правой – после яровой пшеницы. В первом случае почва хорошо рыхлиться и практически не образуются глыбы, тогда как во втором – почва рыхлится очень плохо, а на поверхности почвы присутствуют огромные глыбы, с глянцем на срезах, что свидетельствует о высокой плотности почвы. Мощная мочковатая корневая система сорго оказывает сдерживающее уплотнению действие. Это подтверждается данными плотности почвы на этих участках (табл. 10).

Следовательно, степень и качество рыхления может служить косвенным показателем степени уплотнения почвы.

Установлено, что к осени плотность почвы повышается на всех вариантах и во всех слоях пахотного горизонта. Просматривается закономерность: чем рыхлее была почва, тем сильнее она уплотняется. Поэтому вполне объяснимо, что наибольшие изменения происходятна

Таблица 10 — Плотность почвы (г/см³) после различных культур на варианте с глубоким рыхлением, 2015 г.

варианте с глубоким рыхлением. К осени плотность почвы повышается во всех обработанных слоях на 0,70 -0,15 г/см³, а в необработанном 35-40 см – изменяется незначительно (табл. 11).

Таблица 11 — Динамика плотности почвы (г/см³) по слоям и во времени

(2020 г)

Наименьший дрейф плотности от весны к осени происходит на нулевой обработке. Объясняется это достаточно высокой изначальной плотностью уже весной и вероятно приближением её значений к равновесным значениям для этой почвы. Она для 0-30 см слоя составляет 1,24 г/см³ (Бакиров, 2009), а без учёта 0-5 см слоя, которая из-за воздействия рабочих органов сеялки рыхлее, составляет 1,29 г/см³.

По средней за 9 летурожайности культур(рис. 7)можносделать

Рисунок 11. Средняя (2012-20гг.)урожайность культур при длительном при-менении различных способов обработки почвы (H. d.–Hordeumdistichon L; T. a. – TriticumaestivumL; C. a. –CicerarietinumL; H – Helianthus).

Рисунок 12. Связь между урожайностью ячменя и плотностью почвы в

слое 0-30 см на нулевой обработке (NT–no-till)

вывод, что технология no-till, несмотря на уплотнение почвы, обеспечивает практически одинаковую или даже выше урожайность, чем глубокое рыхление.

Причина этого кроется в том, что плотность почвы на no-tillредковыходитзапределыверхней границы оптимума, икогда это происходит, урожайность культур резко падае т(рис. 11). Стабильная урожайность ячменя лежит в диапазоне плотности от 1,22 до 1,35 г/см³. При значениях выше 1,35 г/см³ идёт ее снижение. Так, например, в 2015 году, когда плотность пахотного слоя почвы на no-till была 1,36 г/см³, урожайность ячменя составила 0,89 т/га, а на варианте с глубоким рыхлением 1,17 г/см³ и 1,6 т/га соответственно. Лучше всего переход на No-till переносит подсолнечник. Его средняя за девять лет урожайность на этом варианте значительно превышает её значения на других вариантах. Между плотностью почвы и урожайностью ячменя на нулевой обработке почвы установлена отрицательная средней степени (r = — 0,603) корреляционная связь (рис. 12).

На рисунке 13 видно, что при положительном тренде урожайности ячменя за девять лет впервые 4 года применения no-till урожайность ячменя снижается, а начиная с 2017 года — повышается, следовательно, технология no-till, несмотря на уплотнение почвы, обеспечивает практически одинаковую или даже выше урожайность, чем глубокое рыхление.

Вывод

Традиционные способы обработки почвы в долгосрочной перспективе отрицательно влияют на продуктивность пашни, из-за эрозии и потери органического вещества. Переход на нулевую обработку (NT), сдерживающую падение плодородия почвы, может привести к переуплотнению почвы и снижению урожайности. В этом исследовании влияние 9-ти летнего применения DI, MT и NT на плотность почвы и урожайность культур изучено в севообороте: (1) нут; (2) яровая пшеница; (3)

Рисунок 13.Динамика урожайности ячменя за 9 лет на нулевой обработке почвы (no-till)

сорго; (4) яровая пшеница; (5) подсолнечник; (6) ячмень на CalcicChernozem (Aric). Пахотный слой почвы (0-30 см) с переходом на NT постепенно уплотняется до критического значения плотности в 1,36 г/см³, далее она уменьшается до 1,24 г/см³, а без учета 0-5 см слоя до 1,29 г/см³. Почва на NT после культур с мощной мочковатой корневой системой (сорго) рыхлее, чем после растений с менее развитой корневой системой (пшеница), и при обработке крошиться без образования глыб. Длительное применение MT приводит к переуплотнению 10-15 см слоя почвы до 1,36-1,44 см³, и как следствие к деформации и горизонтальному размещению главного корня, например подсолнечника, над уплотнённым слоем. DI позволяет сохранять плотность почвы к началу вегетации растений на уровне 1,15-1,22 см³. К осени почва уплотняется с выраженной закономерностью: чем рыхлее почва весной, тем плотнее осенью. Наименьший дрейф плотности наблюдается на NT, изменения лежат в диапазоне от 0,00 до 0,05 г/см³, что объясняется высокой изначальной плотностью весной и приближением её значений к равновесным значениям для этой почвы. Динамика плотности почвы в диапазоне 1,20-1,35 г/см³ слабо отражается на урожайности (r = 0,603, r² = 565), а при превышении 1,35 г/см³, урожайность снижается. Подтвердилась гипотеза, что уплотнение почвы и снижение урожайности на no-till происходит только в первые годы её использования, в дальнейшем плотность почвы уменьшается и стабилизируется на величинах близких к равновесной, а её продуктивность повышается.

3.2.3Влияние ресурсосберегающих технологийна агрохимические показатели плодородия почв

Система сберегающего земледелия предполагает максимальную адаптивную направленность технологических процессов на максимальное использование биологических факторов воспроизводства почвенного плодородия. К биологическим факторам и показателям плодородия относится содержание гумуса и органического вещества, микробиологическая активность почвы и фитосанитарное состояние посевов и почвы.

Проведенные наблюдения за пищевым режимом почвы показали, что содержание питательных элементов и их распределение по пахотному слою зависели от способов основной обработки в севообороте..Количество щелочногидролизуемого азота в пахотном 0-30 см слое почвы было практически равным по всем изучаемым способам основной обработки пара –93 -101 мг/кг (табл. 12).

Таблица 12 — Содержание органического вещества и доступных форм макроэлементов послоям почвы в зависимости от различных способов основной обработки почвы (2020 г.)

Исключение составляют варианты с ежегодным мелким рыхлением и дискованием, где количество щелочногидролизуемого азота было наиболь-шим, соответственно 103 и 108мг/кг почвы.

Уменьшение интенсивности обработки почвы сопровождалась повышением содержания органического вещества в почве. Если принять за контроль ежегодную вспашку, то ежегодное плоскорезное рыхление позволяет накопить органику на 0,3%; мелкое рыхление, соответственно — на0,5%; дискование – на 2,5%, а нулевые обработки – на 2,8%..

Можно отметить уменьшение содержания подвижного фосфора и серы на всех вариантах основной обработки почвы по сравнению со вспашкой в слое почвы 0-30см. Содержание подвижного калия практически не зависело от способов основной обработки почвы за исключением, пожалуй, нулевой обработки.

Все бесплужные системы обработки почвы способствовалидифференциациидоступных элементов питанияс более высоким плодородием в верхнем горизонте. Внесение побочной продукции растениеводства в почву в качестве удобрения и длительнаяминимализация обработки повышают содержаниеорганики в почве, но улучшение обеспеченности минеральными элементами питания требует внесения удобрений.

3.2.4Распределение легкорастворимых солей в профиле чернозёмов в зависимости от способа основной обработки

Во многих исследованиях отмечается изменение водного режима черноземов в агроландшафтах (Большаков, 1961; Афанасиева, 1966; Лебедева, 2007; Базыкина, 2012), в том числе в зависимости от способа основной обработки почвы (Максютов, 1996; Казаков, 1997; Азизов, 2005; Савчук, 2010, Солодовников, 2014). В условиях степного почвообразования солевой режим почв является индикатором их гидрологического режима(Афанасиева,1966). Изменения солевого профиля в агроландшафтах были показаны в исследованиях черноземов Центрально-Черноземного экономического района и Каменной степи(Щеглов, 2011; Цветнова, 2011).

Все вышеизложенное позволило выдвинуть гипотезу: изменение водного режима при различных способах обработки почвы достаточно для формирования отличий в солевом режиме и влияния на продуктивность степных агроландшафтов.

Целью работы являлось исследование влияния способов основной обработки на формирование солевого профиля агрочерноземов.

Объект и методы исследования

Для реализации поставленной цели в весенний период на территории учебно-опытного поля Оренбургского ГАУ проведены исследования чернозема южного на базе стационарного опыта, заложенного в 1989 году. Среди 16 вариантов были выбраны вспашка (контроль) и мелкое рыхление. Вспашка и мелкое рыхление проводятся ежегодно с чередованием глубины 20-22 см и 25-27 см и 8-10 см и 10-12 см соответственно.

Почва участка: чернозем южный малогумусныйсреднемощный тяжелосуглинистый.

Для изучения солевого состава почвенные образцы отбирали почвенным буром на глубину 130 см, через 10 см методом конверта. Определение катионно-анионного состава водной вытяжки проводились в аккредитованной лаборатории ФГБУ ГЦАС «Оренбургский» по ГОСТу 26423-26428. Содержание токсичных и гипотетических солей рассчитаны по общепринятой методике (Панкова, 2006).

Варианты опыта отличаются способом основной обработки, проводимым длительный период, что гипотетически определяет возможность развития отличительных признаков и свойств, в том числе состава и распределения легкорастворимых солей по профилю почвы. Считаем, что трансформация свойств и режимов почв на выбранных участках обуславливаются способом основной обработки.

Результаты и обсуждение

Исследования весной показали, что применение способов основной обработки почвы влияет на запасы и распределение влаги по профилю агрочерноземов(рис. 14).

Рисунок 14. Содержание влаги по профилю агрочернозема при разных способах основной обработки, мм

На вспашке запасов влаги на 70 мм больше, что приводит к увеличению горизонта сплошного промачивания. Здесь, несомненно, выше и скорость промачивания. Все это гипотетически приводит к выщелачиванию большего количества солей в более глубокие горизонты весной.

Исследуемые агрочерноземы не относятся к категории засоленных, так как содержание легкорастворимых солей не превышает 0,126 % на вспашке, и 0,109 % на мелком рыхлении. В тоже время в составе и распределении солей по профилю почвы на исследуемых вариантах отмечаются как сходные черты, так и различия.

Схожесть заключается в наличии двух горизонтов скопления солей (рис. 15). Верхний горизонт приурочен к зоне наиболее быстрого иссушения и маркирует пространство наиболее интенсивного водопотребления в вегетационный период. Положение и состав нижнего иллювиального солевого горизонта определяется среднегодовым уровнем весеннего промачивания профиля.

Рисунок 15. Солевой профиль агрочернозема весной при различных способах основной обработки почвы.

Различия заключаются в глубине солевых максимумов и их составе. На вспашке верхний слой аккумуляций располагается на глубине 50-100 см, с максимумом в слое 70-80 см, нижний – глубже 120 см. На мелком рыхлении первый слой располагается гораздо выше – на глубине 20-40 см, второй начинается с 60 см. Кроме того, на вспашке содержание солей по профилю и в горизонтах их скопления выше, чем на мелком рыхлении.

Следовательно, при большем весеннем промачивании профиля агрочерноземов на вспашке солевой максимум формируется глубже. Здесь же с током влаги растворяется и перераспределяется большее количество солей, в результате мощность слоев шире, а содержание в них солей выше. Так, мощность верхнего слоя аккумуляции солей на вспашке составляет 50 см с содержанием 15,746 мг-экв/100 г ионов, а на мелком рыхлении – 20 см и содержит 4,699 мг-экв/100 г ионов.

В составе ионов солей отмечено преобладание Ca²⁺ иHCO₃^—, на втором местеMg²⁺и SO₄^2-. В верхнем слое солевых аккумуляций указанные группы ионов меняются местами. На вспашке,на глубине 50-90 см, при мелком рыхлении – в верхнем 20 см слое почвы. Что свидетельствует о различиях во влагозарядке и расходе почвенной влаги определяющих перераспределение солей по профилю почвы. Преобладание MgSO₄ в верхнем слое аккумуляций свидетельствует о миграции данной соли к слою наиболее быстрого иссушения.

На вспашке выявлено содержание токсичных солей, в пределах 0,028-0,073 % (табл.13). Горизонты скопления приурочены к слоям 10-30, 50-90 и 120-130 см с максимумом в среднем слое. На мелком рыхлении их концентрация колеблется от 0,023 до 0,047 %, с максимумами на глубине 10-20 и 60-130 см.

Анализ распределения гипотетических солей показывает, что из токсичных солей в слоях солевых аккумуляций преобладает MgSO₄. Другие соли распределены более равномерно. На мелком рыхлении, в верхней части профиля концентрируется доля токсичных солей сопоставимая с их уровнем в глубоких горизонтах. На вспашке в верхней части профиля их содержание в 2-2,5 раза меньше, чем в более глубоких слоях.

Таблица 13 — Содержание токсичных ионов в агрочерноземах при различных вариантах основной обработки почвы, мг-экв/ 100 г почвы (2020г)

Исследования проведенные осенью показали несколько другую картину (рис. 16). На рисунке хорошо видно, что распределение солей по профилю почвы, если судить по их содержанию и особенно по изгибам линий, сходно, прежде всего наличием максимума на глубине 30-40 см и минимума на глубине 40-50 см. Однако с учетом того, что почвы не засолены, и именно этим объясняются небольшие различия в содержании солей между вариантами, можно отметить наличие некоторых различий. Первое различие заключается в том, что в слое 0-10 см солей больше на варианте с мелкой обработкой, что можно объяснить лучшей капиллярной связью этого слоя почвы с нижним, и меньшей водопроницаемостью слоя 10-20 см и нижележащих, в сравнении со вспашкой.

Рисунок 16.Распределение солей в профиле почвы осенью в зависимости от способов основной обработки почвы.

Второе различие заключается в том, что солей на глубине ниже 50 см меньше на варианте со вспашкой. Это объясняются тем, что глубокие слои почвы, а именно 30-100 см горизонта, увлажняются лучше и, в связи с этим соли лучше поднимаются с вертикальным током воды до слоя 30-40 см.

Заключение

Увеличение горизонта сплошного промачивания почвыза счет осадков холодного периода года приводит к растворению и перераспределению большего количество солей.

На вспашке по сравнению с мелким рыхлением наблюдается увеличение зоны элювирования солей по профилю агрочерноземов и их содержания в метровом слое и горизонтах аккумуляции в результате подтягивания солей из более глубоких слоев, которые на мелком рыхлении не задействуются. Суммарное содержание ионов на вспашке превышает их концентрацию на мелком рыхлении в слоях 0-30 и 0-100 см на 0,52 и 3,30 мг-экв/100 г соответственно.

Наличие повышенного содержания токсичных солей в средней части профиля на вспашке показывает возможность их миграции в верхние слои в сухие годы. Именно с этим может быть связано более существенное снижение урожайности на вспашке в засушливые годы. Во влажные годы более высокая концентрация солей при мелком рыхлении, также может являться причиной некоторого снижения урожайности, по отношению к вспашке.

3.2.5 Динамика численности микрофлоры в зависимости от способа основной обработки почвы

В 2019г. нами изучалсяколичественный учёт протеолитической и амилолитической микрофлоры в зависимости от различных способов обработки почв: глубокая вспашка, мелкоерыхление, плоскорезная обработка и дискование. Выращиваемая культура – сафлор. Количественный учет микроорганизмов выполняли методом посева на стандартные питатель-ные среды.

Изучение динамики численности аммонифицирующей микрофлоры показало, что в целом, во всех вариантах в течение периода исследований отмечалась высокая степень обогащенности почвы микроорганизмами (рис.17). При этом мы отмечаем увеличение численности протеолитической группировки к концу вегетационного периода, чему могло способствовать накопление органического вещества, в том числе формирование мощной корневой системы сафлора. Благодаря мощной вегетативной массе сафлора, создается особый микроклимат на поверхности почвы. В частности, почва не подвергается пересыханию, что способствует благоприятному развитию микроорганизмов. Сравнивая численность микроорганизмов данных групп в зависимости от используемых агроприемов, отмечаем, что наибольшая микробиологическая активность наблюдалась при использовании дискования, при этом пик численности микроорганизмов приходится на середину периода вегетации. Данная особенность связана с тем, что при дисковании происходит измельчение и перемешивание стерни, поэтому процессы микробиологической минерализации органики в почве протекают гораздо интенсивнее.

Рисунок 17.Динамика численности аммонифицирующей микрофлоры, КОЕ/г ×10⁶

При анализе динамики амилолитической микрофлоры (рис. 18) было установлено, что в течение вегетационного периода произошло снижение амилолитических организмов во всех изучаемых вариантах. Считаем закономерным снижение численности данной группировки микроорганизмов, так как выращиваемая культура – сафлор – выносит из почвы большое количество питательных элементов и является требовательной к содержанию азота. Поэтому снижение численности амилолитических организмов является следствием их конкуренции с растениями за минеральное азотное питание. Сравнивая численность микроорганизмов в зависимости от обработок, отмечаем, что наибольшое количество микроорганизмов наблюдается в варианте с плоскорезной обработкой почвы на глубину 8-16 см. Наименьшее количество микроорганизмов наблюдается в варианте с мелким рыхлением.

Рисунок 18. Динамика численности амилолитической микрофлоры, КОЕ/г×10⁶

Вывод: Количественный учет группировок почвенных микроорганизмов показал, что динамика численности почвенной микрофлоры в течение вегетационного периода изменялась в зависимости от используемых обработок. Наилучшему функционированию амилолитической микрофлоры способствовала плоскорезная обработка, а аммонифицирующей микрофлоры дискование.

Мы провели также количественную оценку микрофлоры почв во втором опытном стационаре. В результате проведенного анализа подсчета численности протеолитической группировки микроорганизмов в вариантах с использованием различных обработок почвы:No-till; Mini-tillи глубокое рыхлениенами были получены данные об их динамике в течение вегетационного периода.

Количественный учет протеолитической микрофлоры показал, что в течение вегетационного периода произошло снижение численности микроорганизмов во всех вариантах исследования (табл. 13).

В начале вегетационного периода наибольшая численность микроор-ганизмов, трансформирующих органический азот, отмечалась при глубоком рыхлении (1957 млн. КОЕ/г), что может быть связано с достаточным количеством оставшейся весенней влаги. При этом в вариантах с мелким рыхлением численность аммонифицирующей микрофлоры меньше почти в 2

Таблица 13 — Результаты учета протеолитической микрофлоры

(КОЕ/г почвы ×10⁶)

раза. К концу сезона мы наблюдаем тенденцию снижения численности протеолитических микроорганизмов во всех исследуемых вариантах, что является следствием недостаточного увлажнения пахотного слоя и неблагоприятных температурных условий.

3.3 Расход влаги и фитосанитарное состояние посевов в зависимости от приемов обработки почвы

3.3.1 Накопление и расход влаги в традиционных способах обработки почвы

Источником всего живого на земле является вода, большое влияние она оказывает на развитие сельскохозяйственных культур. Все ключевые фазы развития растений требуют наличия воды. Без воды сельскохозяйственные растения не получают элементы питания и, следовательно, не могут сформировать достойный урожай. Именно поэтому изучение вопроса водопотребления в опыте было одним из главных.

В посевах нута в 2017 году весенние запасы влаги в метровом слое почвы составили 106-163мм. При этом наибольшими они оказались на ежегодном плоскорезном рыхлении и наименьшими на дисковании(таблица 14).Отсутствие осадков в августе привело к тому, что запасов продуктивной влаги в почве к моменту уборки не осталось ни на одном из вариантов опыта, и количество израсходованной влаги составило 190 – 247мм.

В 2018 году продуктивной влаги в почве накопилось всего лишь 116-150мм, при этом как и в предыдущем году максимальное их количество наблюдалось на ежегодной плоскорезной обработке и минимальное на ежегодном дисковании.

Осадков за вегетацию нута выпало меньше по сравнению с предыдущим годом, что привело к снижению урожайности и соответственно повышению коэффициента водопотребления до 2010-3397м³/т.

К моменту посева нута в 2019 году запасы влаги в почве были низкими и составили 82 – 112мм, с наименьшими значениями на варианте с ежегодной вспашкой. В период вегетации нута сложились хорошие условиям увлажнения за счет обильных осадков – 156 мм. Это способствовало хорошему развитию культуры и к уборке в почве осталась неиспользованная влага в количестве 22-53мм с наибольшими значениями на мелких обработках.

Оценивая показатели влагообеспеченности посевов в среднем за 2017-2019 годы исследований видно, что весенние запасы продуктивной влагив

Таблица 14 — Водопотребление в посевах нута

Таблица 15 — Водопотребление в посевах нута, среднее за 2017-2019 гг.

метровом слое почвы изменялись по вариантам опыта в пределах 111-141 мм(таблица 15). При этом применение ежегодного плоскорезного рыхления способствует накоплению максимальных запасов влаги, а ежегодное мелкое рыхление и дискование наоборот приводят к снижению количества влаги к моменту посева.

Максимальное количество израсходованной влаги за период вегетации было на варианте с ежегодным плоскорезным рыхлением и минимальное на ежегодном дисковании и составило 230 и 192мм соответственно. Это непосредственно сказалось на урожайности нута и коэффициенте водопотребления, который варьировал в пределах 1667-2548м³/т, при этом наиболее эффективно влага использовалась растениями на 6 варианте с ежегодным плоскорезным рыхлением.

При возделывании яровой пшеницы также наблюдались изменения в запасах и расходовании влаги в зависимости от способов основной обработки почвы. Так в условиях 2018 года весенние запасы влаги в почве, по изучаемым вариантам варьировали от 59 до 121 мм в метровом слое почвы с максимальными значениями на 2 варианте с плоскорезным рыхлением (таблица 16). Сумма осадков за вегетацию яровой пшеницы составила всего 57 мм, что привело к формированию низкого урожая культуры в целом по всем изучаемым вариантам. Коэффициент водопотребления изменялся в зависимости от применяемой обработки почвы следующим образом: наиболее высоким он был на вариантах с ежегодным мелким рыхлением на 12-14 см (11 вариант) и ежегодной разноглубинной вспашкой почвы (1 вариант) – 2760 и 2750м³/т, а наименьшим — на вариантах с плоскорезным рыхлением (2 вариант) и ежегодным дискованием почвы на 10-12 см (16 вариант).

2019 год был более благоприятным для роста и развития яровой пшеницы, сложившиеся погодные условия вегетационного периода обеспечили более высокий уровень урожайности по сравнению с предыдущим годом исследований. Сумма осадков здесь составила 156 мм, что практически в 3 раза выше, чем в 2018 году. По коэффициенту водопотребления резких различий не было, лишь по ежегодному дискованию почвы он был выше остальных – 4145м³/т из-за более низкой урожайности яровой пшеницы.

В условиях 2020 года запасы продуктивной влаги в почве к моменту посева яровой пшеницы были невысокими – 93-123мм, с минимальными показателями на ежегодном дисковании почвы (16 вариант). К тому же количество осадков за вегетацию составило всего лишь 52 мм, но в основном выпали они в мае-июне, что обеспечило хорошее развитее яровой пшеницы и невысокий коэффициент водопотребления 1495-1800 м³/т, с наименьшим значением на 6 варианте – ежегодное плоскорезное рыхление почвы.

Запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы в среднем за три года исследований (2019-2020гг.) составили 87-121мм на момент посева пшеницы и ко времени уборки 0-13мм (таблица 17).По результатам проведенных исследований лучше влага в почве накопилась там, где применялись интенсивные способы обработки – вспашка и плоскорезное рыхление, весенние запасы здесь составили 114-121 мм, меньше всего влаги оказалось на делянках с дискованием – 87,0 мм (табл. 1). Наиболее эффективно влага расходовалась на варианте с плоскорезным рыхлением, где коэффициент водопотребления составил 2227м³/т. Самым высоким коэффициент водопотребления был на варианте с применением дискования почвы – 2694м³/т. На остальных вариантах опыта в результате снижения урожайности коэффициент водопотребления также увеличивался по сравнению с плоскорезным рыхлением.

Таблица 16 — Водопотребление в посевах яровой пшеницы, 2018-2020гг.

Таблица 17 — Водопотребление в посевах яровой пшеницы, среднее за 2018-2020 гг.

Просо – засухоустойчивая культура, но, все же, главным фактором обеспечивающим формирование высокого и качественного ее урожая является влага. В 2019 году к моменту посева проса запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы были очень низкими и составили 70-96 мм(таблица 18), это связано с тем, что просо – культура позднего срока посева и к этому времени большая часть влаги испаряется. Но, изменить картину могут осадки. За период вегетации их количество составило – 150 мм, что в итоге поспособствовало формированию хорошего урожая.

В 2020 году запасы продуктивной влаги к моменту посева проса были выше предыдущего года и составили 92-136 мм, с наименьшими значениями на вспашке. А вот осадков за вегетацию было в разы меньше, всего 45 мм, что значительно снизило урожайность культуры по сравнению с 2019 годом.

В среднем за 2 года исследований высокие запасы продуктивной влаги в почве обеспечили 6 и 9 варианты – 113 мм в метровом слое почвы. Низкие запасы были на 1 и 16 вариантах – 94 и 91 мм соответственно.

Полученные данные позволяют сказать, что за период вегетации проса влага расходовалась более эффективно на 6 варианте, где проводится ежегодное плоскорезное рыхление, здесь коэффициент водопотребления составил 856 м³/т. Варианты с другими способами обработки почвы, способствовали увеличению этого показателя до 918-1189 м³/т.

По результатам наблюдений за показателями запасов влаги в почве при возделывании овса можно заметить, что на плоскорезной обработке они оказались максимальными 117мм — весной перед посевом и 15мм — перед уборкой (таблица 19). Количество израсходованной влаги составило 148-166мм с максимальными значениями на интенсивных обработках почвы.

Таблица 18 — Водопотребление в посевах проса, 2019-2020 г.г.

Таблица 19 — Водопотребление в посевах овса, 2020 г.г.

Большой интерес представляет анализ в метровом слое почвы в шестой ротациисевооборота, в зависимости от системы обработки почвы в среднем по всем изучаемым культурам за 4 года исследований (таблица 20).

Весной в начале вегетации изучаемых культур запасы продуктивной влаги составили 95-123 мм с максимальными значениями на ежегодном плоскорезном рыхлении и минимальными на 16 варианте опыта.

К моменту уборки в среднем за период исследования остаточные запасы влаги были не высокими и составили 8-21мм с наибольшими показателями на плоскорезном рыхлении и минимальными на вспашке. На мелких обработках они оказались одинаковыми и составили 14 мм.

Количество израсходованной влаги напрямую зависит от ее запасов, соответственно наибольшее количество ее наблюдалось на 6 варианте (плоскорезной обработке) – 190мм и наименьшее на 16 варианте – 169мм (таблица 21).

Таблица 20 — Запасы продуктивной влаги (мм) в метровом слое почвы в шестой ротации севооборота в зависимости от системы обработки почвы

Таблица 21 — Количество израсходованной влаги (мм) в метровом слое почвы в шестой ротации севооборота в зависимости от системы обработки почвы

3.3.2 Водопотребление культур при прямом посеве

Система обработки почвы направлена на решение ряда агротехнических, экономических, почвоохранныхзадач, среди которых накопление и расход влаги, а также контроль над сорняками, с позиции уменьшения конкуренции их с культурами за влагу являются, для территорий с дефицитом влаги, первоочередными. Системы обработки, основанные на глубоких рыхленияхпочвы, имеют преимущество в накоплении влаги перед ресурсосберегающими, что подтверждается многими исследованиями (Кузыченко, 2007; Вражнов и Агеев, 2008; Бакиров и др., 2016). В других работах показано преимущество мелкого рыхления и даже нулевой обработки (Моргун и Шикула, 1984). В условиях чернозёма обыкновенного Оренбургского Предуралья была установлена высокая эффективность глубокого рыхления при совместном его использовании с мелкой обработкой орудиями с плоскорежущими органами и высокую зависимость способов обработки почвы в аккумулировании влаги от погодных условий, складывающихся в холодный период года(Каракулев, Бакиров и Вибе, 2008). Несомненно, что эффективность способа обработки почвы имеет высокую зональную зависимость, что и объясняет противоречивость выводов и необходимость исследований в различных регионах страны.

Нельзя оставлять без внимания и тот факт, что некоторыми исследователями утверждается, что большие запасы влаги в почве не гарантируют получение более высоких урожаев (Вибе, 2006; Крючков, 2016). Это говорит о важности другого вопроса связанного с эффективностью использования ресурсов влаги в растениеводстве – сохранение и рациональное использование влаги. Классические приёмы (боронование, культивация) применяемые для снижения потерь влагичерез физическое испарение, уже не отвечают условиям всё большей аридизации климата. Необходим поиск новых более эффективных приёмов.

Эффективность использования влаги посевами культур во многом обусловлено их засорённостью. Степень эффективности определяется количеством, видовым составом и их массой.

Результаты

Исследования показали, что в среднем за 9 лет на варианте с глубоким рыхлением в метровом слое почвы накапливается 309 мм общей влаги, что на 22 мм больше, чем на варианте с мелкой обработкой и на 37 мм больше, чем на нулевой обработке. Это говорит о том, что способность почвы поглощать влагу зависит от плотности сложения почвы, чем рыхлее почва, в нашем случае это вариант с глубоким рыхлением (см. главу 3.2.2), тем больше она аккумулирует воду (рис.19).

Рисунок 19.Динамика запасов в метровом слое почвы при различных способах обработки почвы.

Мелкая обработка незначительно уступает глубокому рыхлению в способности накапливать влагу. Отмеченное ранее повышение плотности 10-15 см слоя почвы при мелком рыхлении не может, как мы считаем, оказать решающее влияние на водопроницаемость чернозема южного. Разрыхленный с осени 0-12 см слой почвы способен вместить до 40 мм влаги, это значительно больше среднемесячного количества осадков большинства месяцев года. И этой влагоёмкости, как правило, достаточно для поглощения талых вод. Все вместе обеспечивает хорошую инфильтрацию воды в более глубокие слои почвы и устраняет поверхностный сток. Кроме того, при обработке ОПО-18.05 на поверхности поля сохраняются пожнивные остатки, создающих мульчирующий слой и тем самым значительно уменьшающих потери влаги.

Нулевая обработка (no-till) уступает по запасам влаги двум другим вариантам, но только в первые пять лет. Начиная с 2017 года no-tillнакапливает больше влаги, чем вариант с мелкой обработкой, а с 2018 года её запасы уже равны или превышают запасы влаги на варианте с глубоким рыхлением. Это подтверждает существующее положение о том, что высокая плотность пахотного слоя почвы может стать препятствием для водопоглощения. Между плотностью почвы и запасами влаги в метровом слое почвы установлена сильная отрицательная зависимость (рис. 20).

Рисунок 20. Изменение запасов влаги в метровом слое почвы в зависимости от плотности почвы на варианте с нулевой обработкой почвы (прямой посев)

В тоже время, как свидетельствуютданные, отраженные на рисунке 21, высокие запасы влаги в почве не гарантируют получение большего урожая. Отмечены годы, например 2016 г, когда при очень больших запасах влаги урожайность ячменя составила всего 0,6 т/га, что меньше даже среднемноголетних значений и, наоборот, при минимальных запасах влаги за 9 лет исследований в 2015 г получен урожай близкий к среднемноголетнему. При этом самая высокая урожайность получена на глубоком рыхлении, имеющим больший запас влаги. В 2017 году no-till при значительно меньших запасах влаги, чем на глубоком рыхлении, обеспечил более высокую урожайность.

Рисунок 21.Зависимость урожайности ячменя от запасов влаги в метровом слое почвы

Из этого вытекает вывод, что обработка почвы влияет и на расходную часть водного баланса почв. При этом нельзя игнорировать такой факт, что в исследованиях кафедры земледелия Оренбургского ГАУ предыдущих лет между урожайностью пшеницы и количеством осадков за вегетационный период установлена прямая зависимость (r = 0,676) (Бакиров, 2006). Это согласуется с исследованиями В. Е. Тихонова (2004). Его расчеты зависимости урожайности от многолетнего хода осадков показали, что положительный тренд урожайности пшеницы в степной зоне Оренбургского Предуралья в значительной степени (80 %) определён трендом осадков летнего периода.

Следующим фактором, снижающим значимость запасов влаги в формировании урожайности, является то, что более увлажнённая почва больше теряет влагу на испарение.Вот что по этому поводу пишет Г.И. Казаков (1997): «При высокой влажности почвы расход воды идет очень интенсивно». Следовательно, вариант с глубоким рыхлением, будучи более увлажнённым быстрее теряет влагу. Вторым важным фактором, влияющим на скорость потерь влаги через физическое испарение, является отсутствие на поверхности почвы растительных остатков, что приводит к перегреву почвы и повышению скорости испарения. Превышение дневной температуры почвы, не покрытой растительной мульчей и живыми растениями в начальные фазы их развития, может достигать 23°С, в сравнении с замульчированной соломой почвы. В результате пахотный слой почвы высыхает, и по следу стойки глубокорыхлителяобразуются щели (рис. 22). Между тем при прямом посеве анкерными сошниками на поверхности почвы сохраняются растительные остатки, что снижает или полностью устраняет недостатки свойственные глубокому рыхлению. Появление щелей, в свою очередь, ускоряет дальнейшиепотери влаги и иссушение почвы.

Рисунок 22.Состояние поверхности поля по глубокому рыхление (рис. слева) и по прямому посеву – no-till (рис. справа)

Косвенно, наш вывод подтверждается тем, что к моменту появления щелей, как правило, в середине вегетационного периода, растения на глубоком рыхлении снижают скорость роста в сравнении с растениями на других вариантах из-за наступающего дефицита влаги (рис. 23).

Рисунок 23. Динамика высоты растений нута при различных способах обработки почвы

А более плотная почва, покрытая соломенной мульчей при прямом посеве, лучше сохраняет влагу, что подтверждается ускорением роста растений нута во второй половине вегетационного периода. На этом варианте влага используется более эффективно, чем на других вариантах, т. е. при меньших запасах влаги нулевая обработка формирует такой же или выше урожай. Об этом свидетельствуют и меньшие значения коэффициентов водопотребления (рис. 24).

Рисунок 24.Коэффициенты водопотребления нута при различных способах обработки почвы, м³/т

Таким образом из вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

— глубокое рыхление почвы имеет преимущество в накоплении влаги холодного периода года перед мелким рыхлением и прямым посевом (no-till);

— нулевая обработка (no-till) уступает по запасам влаги другим способам обработки только в первые пять лет, в дальнейшем онанакапливает больше влаги, чем вариант с мелкой обработкой, на седьмой год запасы уже равны или превышают запасы влаги на варианте с глубоким рыхлением;

— нулевая обработка использует ресурсы влаги более эффективно, чем мелкая обработка и глубокое рыхление.

3.3.3 Засоренность посевов и контроль над сорняками в традиционных и ресурсосберегающих технологиях

Защита сельскохозяйственных культур от сорных растений относится к числу важнейших проблем земледелия. Затраты труда на борьбу с сорняками составляют примерно 30% от общих затрат на выращивание культуры.

Установлено, что на формирование 1 кг сухого вещества большинство сорняков расходуют влаги в среднем в 1,5-2,5 раза больше, чем культурные растения. На засоренных посевах влажность почвы в корнеобитаемом слое снижается на 2-5%, что приводит к задержке роста и развития растений в начале вегетации (А.В. Захаренко, 2000).Ущерб от сорняков помимо снижения урожая приводит и к снижению качества продукции сельскохозяйственных культур.

В условиях приоритетного развития агроландшафтного земледелия особое значение в борьбе с сорняками придается механической обработке почвы.

В наших исследованиях учет сорняков проводился в начале вегетации и перед уборкой урожая, что позволило более объективно оценить влияние способов обработки почвы на засоренность посевов в севообороте.

В посевах ранних яровых зерновых культур на опытном поле из малолетних сорняков наибольшее распространение имеют злаковые — щетинник сизый и зеленый, просо куриное, просо культурное, из двудольных — щирица запрокинутая и жминдовидная, из многолетних — молокан татарский, вьюнок полевой, бодяк полевой, молочай лозный.

Данные о засорённости посевов нута в зависимости от способов обработки почвы представлены в таблице 22.

В опыте многолетние сорняки не имели большого распространения, это связано с тем, что нут возделывался по пару. В фазу ветвления на всех вариантах обработки почвы под нут они вообще отсутствовали, к уборке же они появились только на фонах с мелким рыхлением почвы и то в небольшом количестве – 1 шт/м².

Таблица 22 — Действие различных способов обработки почвы на засорённость нута, среднее за 2017-2019 гг.

Независимо от способа обработки почвы в фазу ветвления численность малолетних сорных растений была низкой и составила 4-10шт/м². К моменту уборки количество малолетников повысилось до 30-78шт/м², с максимальными значениями на дисковании и минимальными на вспашке. Это в очередной раз доказывает эффективность интенсивных способов обработки почвы в борьбе с сорняками.

Способы обработки почвы обусловили разную картину засорённости посевов яровой пшеницы (таблица 23). Так при ресурсосберегающих обработках почвы, особенно при мелких, в начале вегетации яровой пшеницы в посевах присутствовали многолетние сорняки, которые использовали почвенную влагу и оказывали ряд других отрицательных воздействий на культуру. В целом же, засорённость на изучаемых вариантах различалась не значительно.

Перед уборкой яровой пшеницы засорённость посевов увеличилась. В результате чего засорённость малолетними сорняками составила 43–75 шт/м², а многолетними возросла до 5 шт/м² с максимальными значениями на мелких обработках почвы.

Данные засорённости посевов проса в зависимости от способов обработки почвы в среднем за два года исследований представлены в таблице 24.

Таблица 23 –Засорённость посевов яровой пшеницы в зависимости способа основной обработки почвы, 2018-2020 г.

Таблица 24 — Засоренность посевов проса в зависимости от системы обработки почвы, среднее за 2019-2020гг.

В фазу кущения и к уборке практически на всех вариантах обработки почвы многолетние сорняки отсутствовали, и лишь на ежегодном дисковании они были, и то в количестве 2 шт/м². Засоренность малолетними сорняками также была невысокой и составила в фазу кущения 33-59 шт/м².

К моменту уборки количество малолетников снизилось благодаря эффективному воздействию гербицидов и хорошему развитию растений проса, которые затеняли сорняки и засоренность составила 8-25 шт/м², с максимальными значениями на ежегодном дисковании и минимальными на вспашке.При этом многолетние сорняки наблюдались уже на трех вариантах опыта в количестве 1-3 шт/м², с максимальными показателями на дисковании почвы.

Данные о засорённости посевов овса в 2020 году в зависимости от способов обработки почвы представлены в таблице 25.

Таблица 25 -Засоренность посевов овса в зависимости от системы обработки почв, 2020г.

Засоренность посевов овса в условиях весны 2020 года сложилась невысокая – 39-65шт./м², с минимальными значениями на плоскорезном рыхлении. К уборке засоренность осталась примерно на этом же уровне 18-58шт./м², с максимальными показателями на варианте с прямым посевом.

Количество многолетних сорняков в посевах увеличивалось пропорционально снижению интенсивности обработки почвы от вспашки к нулевой обработки, от 1 до 3шт./м² весной и от 1 до 4шт./м² к моменту уборки овса.

3.3.4 Засоренность посевов и контроль над сорняками в технологиях с прямым посевом

Одной из причин, сдерживающих распространение технологии No-till в мире и в России, является усиление засоренности посевов при отказе от основной обработки.

Высокая засоренность посевов существенно снижают урожайность полевых культур. По данным ВНИИЭСХ, прямой ущерб от сорняков в нашей стране в последние годы составлял 10,3 % от фактического урожая. На борьбу с сорняками расходуется около 30 % всех трудовых затрат в земледелии. В технологии No-till затраты на химические препараты, направленные на контроль над численностью сорняков, возрастают до 70 %.

Особенно вредны сорняки в засушливых районах страны. Так, согласно результатам Международного конгресса, по сухому земледелию, для формирования 1 т/га сухого вещества сорняков из почвы расходуется около 68 мм влаги, что равнозначно недобору урожая зерна пшеницы 0,6 – 1,1 т/га (Базилинская, 1987).

Ведущая роль в уничтожении сорняков и предупреждении их распространения принадлежит обработке почвы, при этом значение имеют способ и глубина обработки.

На рисунке 21 видно, что отказ от осенней обработки приводит к усилению засоренности поля (сектор А на рисунке 21). Мелкая обработка почвы значительно сокращает их количество (сектор В на рисунке), а двукратная мелкая обработка с интервалом в 30 дней практически полностью избавляет поле от сорняков на момент посева (сектор С на рисунке 25).

Рисунок 25.Опытное поле перед посевом культур (сектор А – нулевая обработка (прямой посев), сектор В – мелкая обработка, сектор С – двукратная мелкая обработка + глубокое рыхление)

Отсутствие осеней обработки почвы способствует появлению на поле двулетних сорняков, в основном ярутки полевой (рис. 26), хориспоры нежной (Chorisporatenella). На поле с нулевой обработкой присутствую характерные для традиционных способов обработки почвы многолетниесорнякам:осотом полевым (Sonchusarvensis), бодяком полевым (Cursiumarvense), вьюнком полевым (Convolvulusarvense)(рис 27).

Рисунок 26. .Ярутка полевая на поле с «нулевой» обработкой.

Рисунок 27. Сорные растения из различных биологических групп и падалица яровой пшеницы на поле с нулевой обработкой почвы.

Визуальная оценка и количественная оценка по шкале ТСХА, показывает, что засоренность поляподпрямой посев очень высокая (более 20шт./м²). На варианте с однократной мелкой обработкой оценивается как средняя степень (5-9 шт./м²), на варианте с двукратной мелкой обработкой (вторая мелкая обработка проводится одновременно с глубоким рыхлением) как очень слабая (0,5-1,0 шт./м²).

На варианте с нулевой обработкой все участки через два дня после посева культур обрабатывались гербицидом сплошного действия Ураган-форте нормой 3 л/га. Наличие соломенной мульчи при прямом посеве в какой-то мере препятствовало появлению всходов двудольных сорняков второй волны. Однако в посевах зерновых культур все же они появились и были представлены щирицами, осотами, вьюнком полевым. Поэтому посевы зерновых, в том числе сорго обрабатывались гербицидом сплошного действия.

Обработка зерновых гербицидом сплошного действия и препаратом избирательного действия в фазу их кущения позволяет снизить количество сорняков ниже уровня ЭПВ по всем видам сорняков.

Осеннего мелкогои глубокого рыхления, как правилонедостаточно для контроля над сорняками на уровне ЭПВ, требуется обработка посевов в фазу кущения зерновых культур препаратом избирательного действия. Посевы подсолнечника в чистом от сорняков состояниипозволяют поддерживатьгербициды Евро-лайтинг в системе Clearfield.

3.3.5 Изменением видового состава сорняков в результате длительного применения различных способов обработки почвы

Использование ресурсосберегающих технологий приводит к неблагополучному фитосанитарному состоянию полей (Бакиров, 2008; 2018; Кислов: 2001; Вибе, 2006), в том числе изменению видового состава сорно-полевой растительности. Но, несмотря на многочисленные исследования, в том числе иностранных авторов (Armengot, 2016;Kuyper, 2018), до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, из-за чего это происходит. По этому поводу существует несколько мнений. Основное – это изменение видового состава сорняков случается в результате замены способа обработки почв (Бакиров, 2008), либо из-за постоянного использования против двудольных сорняков соответствующих гербицидов (Neve, 2018). Но в выводах авторы ограничиваются только констатацией фактов, без раскрытия причин. Между тем смена экологического состояния почвы, несомненно, способствует адаптации сообщества растений к изменённым условиям и должно привести к смене флоры агрофитоценозов.

Отсюда цель состояла в раскрытии взаимосвязи между изменением видового состава сорняков в агрофитоценозах и сменой экологического состояния почвы в результате длительного применения различных систем обработки.

Задачи исследования:

— установить изменения в сложении пахотного слоя и водного режима почвы под влиянием различных систем обработки почвы;

— провести флористический анализ сорных растений в агрофитозенозах, различающихся системами обработки почвы и длительностью их применения;

Материалы и методы. Исследования проводились на территории Оренбургской области в базовом хозяйстве Оренбургского ГАУ. Элювиальный ландшафт приурочен к водораздельным поверхностям со слабым уклоном в 1-2°. Почвы черноземные характеризуются непромывным режимом и повышенной карбонатностью. Исследованиями было охвачено КФХ «Е.С. Квитко» в селе Донецкое Переволоцкого района Оренбургской области. Для решения поставленных задач и обоснования выдвинутой гипотезы были взяты две крайние по интенсивности системы обработки почвы – отвальная и нулевая (No-till), и дополнительно дифференцированная безотвальная, занимающая промежуточное положение по воздействию на почву между ними (табл. 26).За No-till взят вариант с применением гербицидов сплошного действия, что исключает фактор влияния химических средств защиты избирательного действия на видовой состав сорняков.

Таблица 26 — Характеристика участков и систем обработки почвы

Результаты исследований

Исследования показали, что при переходе на безотвальные системы обработки почвы в севообороте происходит уплотнение пахотного слоя почвы, в сравнении с дифференцированной отвальной (рис. 28). Колебания значений плотности на рисунке объясняются уменьшением или увеличением глубины обработки почвы.Было отмечено, что при повторе мелкого рыхления, возникает резкий перепад плотности почвы в слое 10-20 см, в сравнении с верхним. Это вызывает сильную деформацию главного корня и его горизонтальное размещение в слое выше 10 см, а также поверхностному развитию корневой системы подсолнечника в целом. Непрерывное применение «нулевой» обработки (No-till) также способствует уплотнению почвы, с нарастающим эффектом. Однако, в отличие от обрабатываемых почв формируется сглаженная по слоям плотность почвы.

При вспашке влага «уходит» в нижние слои, а мелком рыхлении и нулевой обработке остаётся в верхних слоях (рис. 29). Преимущество этих вариантов в содержании влаги перед вспашкой наблюдается на всю глубину пахотного слоя, т. е. до 30 см. Причём, как показали наблюдения за динамикой влаги в метровом слое почвы, вода на вариантах с бесплужной обработкой, не только задерживается с весны в верхних слоях, но и лучше подтягивается с нижних слоёв почвенного профиля.Поэтому преимущество их перед вспашкой в увлажнении верхних слоев почвы сохраняется до фазы кущения яровой пшеницы (Бакиров, 2008).

Рисунок 28.Изменение плотности в 0-30 см слое почвы (г/см³) в зависимости от применяемых систем обработки в севообороте (1 – плотность почвы за 1989-1992 гг., 2 – 1991-1993 … 11 – 2002-2004 гг.)

На то, что уплотнение почвы оказывает влияние на перераспределение влаги в почвенном профиле, способствуя подтягиванию её в корнеобитаемый слой почвы, указывал в своё время С.С. Сдобников (2000). Он пишет: «В фазу кущения в слое 0-30 см продуктивной влаги было: на контроле – 11,8 мм, на варианте с объемным весом 1,1 г/см³ – 26,2 мм, с 1,2 г/см³ – 30,5 мм и 1,3 г/см³ – 30,8 мм. Лучшая обеспеченность влагой обеспечили более раннее и более дружное появление всходов на уплотненных вариантах».

Таким образом, переход на ресурсосберегающие технологии изменяет сложение пахотного горизонта. Происходит его уплотнение (Вибе, 2006) причём это носит кумулятивный характер, из гомогенизированного переходит в состояние с дифференцированным по плотности, структурности и влажности слои, меняется водный режим. Это, как мы предполагаем, должно привести к смене флористического состава сорняков.

Рисунок 29.Влияние способа обработки на распределение влаги в метровой толще почвы весной перед посевом яровых ранних культур.

На варианте с длительной ежегодной дифференцированной отвальной обработкой почвы сорняки были представлены многолетними двудольными: вьюнком полевым (Соnvolvulusarvensis L), осотом желтым (Sonchusarvensis),латуком татарским (Lactucatatarica (L.) и малолетними: щирицей запрокинутой (АmaranthusretroflexusL), гречишкой вьюнковой (Рolygonumсоnvolvulus), из однодольных – просом куриным(Есhinochloaсrusgalli (L.) Раl. Веаuv). На участке произрастало 6 видов растений, с преобладанием двудольных корнеотпрысковых сорняков, с глубоко проникающей корневой системой и приспособленными к рыхлым хорошо аэрируемым почвам.

На варианте с дифференцированной по глубине безотвальной обработкой (30 лет) видовой состав сорняков значительно расширился с 6 до 11 видов. Растения в основном были представлены теми же сорняками, но появились и новые виды: щетинник сизый (Setariapumila), мелколепестник канадский (Еrigeronсаnadensis), марь белая (Сhenopodiumаlbum L.), щирица жминовидная (Аmaranthusretroflexus L.), смолёвка обыкновенная (Silenealba). Появился и не типичный для нашего региона сорняк мелколепестник канадский (Еrigeronсаnadensis). Появление на пашне новых видов растений можно объяснить периодическим образованием «плужной» подошвы, с резким увеличением плотности почвы ниже 10 см, при мелких обработках. А также общим повышением плотности и преимущественной локализацией влаги вверхних слоях почвы.

Аналогичная предыдущему участку была экологическая группа сорняков на участке с дифференцированной по глубине безотвальной обработкой почвы (10 лет). Хотя видовой состав был несколько иным. Здесь встречались Хориспора нежная (RaphanustenellusPall.),дескурения Софьи (Descurainiasophia (L.)Webb).Но были и типичные для этих условий сорняки – молокан татарский (Lactucatatarica (L.)), бодяк полевой (Сirsiumarvense (L.) Sсор.), вьюнок полевой (Соnvolvulusarvensis L).

Отказ от основной обработки почвы (No-till/8лет) в севообороте привёл к значительному изменению видового состава сорняков. Они были представлены уже 17 видами. Из многолетников добавился молочай лозный Еuphorbiahelioscopia L., который предпочитает залежи. Из малолетников появились горец птичий (Роlygonumaveculare), хориспора нежная (RaphanustenellusPall.), пастушья сумка (Сарsellabursa-pastoris (L.) Меdicus), икотник серый (Веrteroaincana), козлобородник сомнительный(рис.30),

Рисунок 30. Козлобородник сомнительный на фонеNo-till (2020г.)

(Tragopogodubius Scop.), просвирник приземистый (Malvapusilla), имеющие стержневой корень. Это, на наш взгляд объясняется, формированием сглаженного по плотности строением пахотного слоя почвы.Наше предположение подтверждается появлением растений со стержневой корневой системой на другом участке (No-till/10 лет), хотя и представлены были другими видами, а именно: ромашкой продырявленной (Matricariaperforata), полынью горькой (Аrtemisiaabsinthium L.), гулявникомЛезеля (Sisymbriumloeselii L.), дескурeнией Софьи (Descurainiasophia (L.) Webb.), цикорием обыкновенным (CichoriumuntybusL.), чернокоренем лекарственным (Cynoglóssumofficinále), крестовником обыкновенным (Seneciovulgaris).

Выводы

В результате перехода от классической дифференцированной отвальной системы к минимальным, происходит изменение экологического состояния пахотного слоя, что приводит к смене видового состава сорняков в агрофитоценозах. На участках с дифференцированной по глубине безотвальной системой обработки почвы расширяется видовой состав сорняков. Мелкая и нулевая обработка, обеспечивая локализацию влаги в верхних слоях почвы, способствует распространению сорняков с мочковатой корневой системой. На No-till появляются виды со стержневой корневой системой, обусловленное сглаживанием плотности почвы по слоям.

3.4 Эффективность севооборотов в различных почвенно-климатических зонах Оренбургской области

3.4.1 Обоснование выбора культур и порядка их чередования в севообороте

Учитывая специфичность данного исследования нами решено дать обоснованиевыбора культур для составления севооборота и порядка их чередования в нем. Специфичность исследования заключается в том, что в опыте изучаются ресурсосберегающие технологии, отличающиеся по глубине заделки органических остатков в почву. Известно, что органические остатки предшественников могут оказывать аллелопатическое влияние на культуры, степень влияния которых зависит от степени разложения и места их локализации, а последнее зависит от способа обработки. При мелком рыхлении органические остатки перемешиваются с почвой в слое от 5 до 14 см, что, при благоприятных температурных и условиях увлажнения, ускоряет их разложение и снижает аллелопатическое действие их на последующую культуру. То же самое происходит при глубоком рыхлении, если глубокорыхлитель оборудован дисками для мелкого рыхления или же дискование проводится дополнительно как отдельный прием. Но при этом часть органики попадает и в более глубокие слои по щели, сформированной стойками долот. При No-till вся незерновая часть урожая остаётся на поверхности почвы, что неизбежно приводит к проявлению аллелопатии.Для образования аллелопатических веществ необходимо достаточное количество атмосферного кислорода, поскольку микроорганизмы, участвующие в этом процессе, являются аэробными.Использование севооборотов помогает сократить аллелопатическое воздействие растительных остатков на зерновые культуры.

Другая особенность исследований заключается в том, что в No-tillиспользуются севообороты, отличающиеся от тех, которые применяются в традиционных системах земледелия, основанных на вспашке. В этих севооборотах, как правило, отсутствует чистый пар, исключены повторные посевы, должны быть включены зернобобовые растения (нут, горох, соя), а также культуры со стержневой корневой системой (рапс, нут, подсолнечник). И, по нашему мнению, для создания мульчи в засушливых условиях с низкой урожайностью культур в севооборот должна быть включена культура, оставляющая большое количество органической массы. Это может быть сорго, культура, обеспечивающая высокую урожайность биомассы даже в сухой год.

Из зернобобовых культур нами был выбран нут по двум причинам: он более засухоустойчив, чем горох и соя, способен обеспечить удовлетворительный урожайный даже в сухой год, имеет мощный, глубоко проникающий стержневой корень, не полегающий стебель.

Подсолнечник был включен также, из-за его высокой засухоустойчивости и наличия стержневой корневой системы. Из-за того, что это наиболее распространённая в Оренбургской области коммерческая культура, ввиду более высокой своей урожайности и стоимости зерна, чем у других культур. Важное свойство подсолнечника, заслуживающее внимания, способность его корней нормально развиваться в широком диапазоне показателей плотности почвы: от 1,20 до 1,40 г/см³, в зависимости от разновидности почвы. Благодаря этому нет необходимости в глубоком рыхлении почвы в целях улучшения условий для развития корневой системы подсолнечника.

Яровая пшеница была включена в севооборот, как обязательная культура в наших условиях и в связи с необходимостью чередования культур из разных биологических групп.

Ячмень наиболее толерантная зерновая культура, хорошо переносящая влияние предшественников, поэтому он был размещен после подсолнечника, традиционно считавшимся плохим предшественником для большинства культур.

С учетом вышеизложенного был составлен следующий шестипольный севооборот: нут – яровая пшеница – сорго – яровая пшеница – подсолнечник – ячмень.

За время проведения эксперимента мы предпринимали попытку замены яровой пшеницы – озимой пшеницей. Альтернативой зернобобовой культуры нута были горох и соя; яровой мягкой пшеницы – яровая твердая пшеница и масличной культуры подсолнечника – сафлор.

Результаты эксперимента показали низкую эффективность возделывания озимой пшеницы в вышеупомянутом севообороте. Одной из причин является поздний срок сева данной культуры из-за поздней уборки нута (вторая половина сентября). По этой причинев зиму растения ушли в фазу 3 листьев, не накопив достаточного количества пластических веществ(рис. 31), поэтому после зимы их состояние оценивалось как удовлетворительное (рис.32).

Рисунок 31.Всходы озимой пшеницы по нуту (2012г.)

Рисунок 32. Посевы озимой пшеницы после перезимовки, весна 2013 года

После обильных осадков выпавших в июле произошло обильноепояв-ление всходов и рост сорняков (рисунок. 33). В итоге посевы озимой пшени-цыбыли настолько сильно засорены, что пришлось за 2 неделидо уборки

Рисунок 33. Посевы озимой пшеницы перед уборкой 5 августа 2013 года

обработать их гербицидом Ураган форте.

По этим причинам урожайность зерна озимой пшеницы в этом году составила на «нулевом» фоне обработки почвы – 4,8 ц/га. Это еще раз подтверждает значимость чистого пара как наилучшего предшественника для озимых культур в условиях Оренбургского Предуралья. Именно в паровом поле создаются благоприятные условия по оптимальным срокам посева озимых культур, их предпосевной влагообеспеченности и фитосанитарному состоянию в отличие от других предшественников.

В 2020 году по данным министерства Оренбургской области достигнут областной рекорд по сбору озимых культур − 2 млн 051,0 тыс. тонн при средней урожайности 27,9 центнера/га или 55 % от общего намолота зерновых. Это ещё раз подтверждает значимость озимых как страховой культуры для региона. По этой причине повышению эффективности озимых культур в севооборотах с нулевыми обработками в ближайшее время необходимо уделить должное внимание. Для этого, прежде всего, необходимо создать мульчирующий слой на поверхности поля и улучшить фитосанитарную обстановку посевов культур в севообороте.

Изначально, первой культурой севооборота, являлся рапс. В 2013г. сразу после посева культур (5 мая) участки с No-till(нулевая обработка) были обработаны гербицидом сплошного действия Ураган-форте. Поэтому к фазе кущения зерновыхкультурполя былипрактически чистыми от сорняков (табл. 26).Наиболее засорённым было поле с рапсом. Такое состояние поля сохранялось вплоть до уборки, что объясняется полным отсутствием осадков до июля. Урожайность семян рапса, как и озимой пшеницы, была низкой исоставила на вариантеNo-till 2 ц/га.

Таблица 26- Засоренность посевов культур севооборота в фазу кущения зерновых культур

Примечание: 1 – малолетние однодольные; 2 – малолетние двудольные; 3 – многолетние двудольные

В 2016-17гг. на одном поле (делянке) на одной половине высевается яровая пшеница твердая, на другой — яровая пшеница мягкая. В засушливые годы урожайность яровой твердой и мягкой пшеницы была практически одинаковой. В благоприятные по увлажнению годы яровая твердая пшеница по предшественнику сорго уступала по урожайности мягкой в 1,7 раза, но по предшественнику – нут, наоборот, превосходила её в два раза. Следовательно, в шестипольном плодосменном севообороте после нута вполне возможна замена яровой мягкой пшеницы на твердую пшеницу.

В специально спланированном полевом опыте помимо нута, как первой культуры севооборота высевались альтернативные ему культуры: горох и соя. Необходимо отметить, что указанные культуры за исключением гороха в среднем за три года исследований самую низкую урожайность сформировали на варианте сNo-till, а вот самая высокая урожайность сои и нута нами получена на варианте с мелким рыхлением (таблица 27).

Таблица 27 – Урожайность первых культур севооборота в зависимости от способов основной обработки почвы во втором опыте, ц/га (среднее за 3 года)

Судя по трем годам исследований, можно сделать вывод о том, что нути соя по урожайности превосходят как горох, как на варианте с глубоким рыхление, так и наNo-till.По этой причине преимущество в урожайности нута и сои над горохом на нулевом фоне обработки почвы делает эти культуры перспективнымив плане освоения и использованиятехнологии No-till.

Однако учитывая большой спрос на рынке и высокую закупочную цену на нут, (на сегодняшний день она составляет более 30 000 рублей за тонну) она занимает достойное место в ресурсосберегающих технологиях возделывания зернобобовых культур.

18 мая 2016г. осуществлен посев сафлора как альтернативной культуры подсолнечнику. Посев проведен сеялкой DMC-6,агрегатируемой с трактором Кейс с весовой нормой высева 55 кг/га.

Из изучаемых в севообороте культур наиболее экономно расходует почвенную влагу сахарное сорго. Затем в порядке возрастания: нут — яровая пшеница по сорго — яровая пшеница по нуту — ячмень и завершает ряд культура сафлор, у которой нами в условиях 2016 г. зафиксирован самый высокий коэффициент водопотребления – 342м³/т на варианте с нулевыми обработками. Урожайность данной культуры была самой низкой из изучаемых культур за исключением только твердой пшеницы и составила 4,8ц/га.

Таким образом, альтернативой исследуемому севообороту может быть севооборот со следующей схемой:

Соя

Яровая пшеница твердая

Сорго

Яровая пшеница

Подсолнечник

Ячмень

3.4.2 Продуктивность культур в севооборотах под традиционные и ресурсосберегающие технологии

Урожайность – главный показатель, характеризующий эффективность применяемых способов обработки почвы. Показатели урожайности отдельно по каждой культуре севооборота по годам исследований приведены в приложениях 1-3, а в среднем за отчетный период в таблицах 28-29.

Оценивая показатели урожайности нута в 2017 году, следует признать, чтолучшим среди способовосновной обработки является ежегодное плоскорезное рыхление почвы (6 вариант), где получены максимальные значения 13,0 ц/га (приложение 1). При этом ежегодное дискование почвы показало минимальную урожайность в опыте 7,6 ц/га.

В засушливом 2018 году исследований, как и в предыдущем на плоскорезном рыхлении(6 вариант) получена максимальная урожайность 10,3ц/га. Наименьшая же урожайность получена на варианте с мелким рыхление культиватором на 12-14см – 5,0ц/га (15 вариант).

В 2019 году в связи с благоприятными по увлажнению погодными условиями урожайность нута была практически в 1,5-2 раза выше по сравнению с предыдущим годом и составила 8,8-18,4 ц/га, с минимальными значениями на варианте с дискованием почвы.

Наибольшая урожайность нута в опыте в среднем за три года исследований была получена на варианте с ежегодным плоскорезным рыхлением почвы в севообороте и составила 1,38т/га(таблица 28). На варианте со вспашкой показатель урожайности был равен 1,01т/га. Применение ежегодных мелких обработок почвы в севообороте приводит к снижению урожайности нута до 0,83-0,89 ц/га.

Погодные условия засушливого 2018 года исследований сказались на величине урожая,и в целом в опытесформировалась низкая урожайность яровой пшеницы. Минимальные показатели урожайности в этом году оказались на 16 варианте с ежегодным дискованием почвы на 10-12см – 4,8ц/га (приложение 2).На 1 и 4 вариантах она была практически одинаковой и составила 6,3-6,4ц/га. Максимальная же урожайность в опыте получена на плоскорезной обработке почвы (2 вариант) – 7,3ц/га.

В условиях 2019 года, урожайность яровой пшеницы составила в опыте 6,2-9,4 ц/га, с максимальными значениями на плоскорезном и минимальными на дисковании почвы.

В 2020 году урожайность варьировала в пределах 7,5-10,5 ц/га с максимальными значениями на 6 варианте опыта.

Самый высокий урожай яровой пшеницы за 3 года исследований был получен при применении ежегодного плоскорезного рыхления и составил – 0,88 т/га (таблица 28). На варианте с применением традиционной ежегодной вспашки – 0,83 т/га, и низким урожай был на мелких обработках почвы – 0,70 т/га на варианте с ежегодным мелким рыхлением почвы и 0,62 т/га на варианте с ежегодным дискованием.

Урожайность проса в 2019 году была высокой, этому способствовала хорошая влагозарядка, значения варьировали от 22,9 до 30,6ц/га(приложение 3).Ежегодное плоскорезное рыхление (6 вариант) и дискование почвы (16 вариант) позволили сформировать урожай проса на 26% по сравнению с первым вариантом.

В 2020 году на первом варианте урожайность составила – 6,4 ц/га, а на 13 варианте она была на 1,4 ц/га ниже. Остальные варианты обработок почвы обеспечили прибавку урожая и наибольшие значения получены на плоскорезном рыхлении 10,0-11,5 ц/га.

В среднем за два года исследований урожайность проса варьировала от 1,47 до 1,94 т/га, с наибольшим значением на 6 варианте и наименьшим на вспашке(таблица 28).

Урожайность овса в 2020 году напрямую зависела от показателей влагообеспеченности посевов и составила 0,66-0,91 т/га (таблица 29). При этом наименьшая урожайность сформировалась на варианте с прямым посевом, а максимальная на плоскорезной обработке почвы. Продуктивность овса на вспашке и мелком рыхлении почвы на 12-14см была практически одинаковой 0,82-0,84 т/га (таблица 28).

Таблица 28 — Урожайность основной продукции сельскохозяйственных культур в шестой ротации севооборота в зависимости от системы обработки почвы, т/га

Таблица 29 — Урожайность основной продукции сельскохозяйственных культур в шестой ротации севооборота в зависимости от системы обработки почвы, т/га

Во втором стационаре опыта, в условиях 2020г., наименьшую урожайность яровой пшеницы, нута и сорго обеспечил вариант с глубоких рыхлением (таблица 30). Что касается урожайности ячменя, то нами получена другая зависимость: наибольшая урожайность – 10,7 ц/га соответствует варианту с глубоким рыхлением; средняя (8,6ц/га) – на варианте с No-till и наименьшая (7,4 ц/га) – на варианте с мелким рыхлением.Преимущество в показателе урожайности на варианте с мелким рыхлением по сравнению с другими вариантами опыта отмечено у таких культур как яровая пшеница (причем по обоим предшественникам: сорго и нут), соргои подсолнечник.

Таблица 30– Урожайность полевых культур в зависимости от способов основной обработки почвы (2020г.), ц/га

В среднем за весь период наблюдений (9лет) из всего набора культур плодосменного севооборота наиболее отзывчивыми на бессменные нулевые обработки оказались подсолнечник и ячмень (табл. 31). Практически одинаковые результаты урожайности зерна нута и яровой пшеницы по сорго,

Таблица 31 – Урожайность полевых культур в зависимости от способов основной обработки почвы (в среднем за 9 лет), ц/га

получены нами на вариантах с нулевыми обработками и мелким рыхлением.

Наиболее отзывчивой к традиционному способу обработки является сахарное сорго, средняя урожайность которого составила 15,2 ц/га, что на 1,8 ц/га выше чем на нулевой обработке и на 2,7 ц/га выше чем на мелком рыхлении. Урожайность яровой пшеницы, идущей в севообороте по предшественнику – нут, практически была одинаковой на всех вариантах опыта с колебаниями от 5,3 до 6,2 ц/га.

Следовательно, из наиболее урожайных культур при систематических нулевых обработках почвы следует выделить подсолнечник на семена и ячмень. Урожайность яровой пшеницы, нута практически не зависит от способа основной обработки почвы и, лишь сахарное сорго, наиболее отзывчиво к традиционным способам обработки почвы.

3.4.3 Качество продукции

В современных условиях повышение качества продукции как наиболее важной составляющей конкурентоспособности – одна из самых острых и наиболее сложных проблем для Аграрного сектора страны Улучшение качества продукции является одним из важнейших направлений повышения эффективности общественного производства и отдельного предприятия.

Широкое использование зерна яровой пшеницы в народном хозяйстве обуславливает ряд специфических требований к качеству. При оценке качества зерна яровой пшеницы большое внимание уделяют техноло-гическим свойствам. Используемые технологии выращивания этой культуры оказали влияние на показатели массы 1000семян, натуры зерна и выхода клейковины. Наибольшее значение показателя массы 1000 семян (28,1г), получено на варианте(табл. 32) с нулевыми обработками.

Таблица32—Технологические качества зерна яровой пшеницы Юго-Восточная-2 в зависимости от способа основной обработки почвы (2019г.)

Натура зерна – один из наиболее старых показателей качества зерна. Натуру зерна на варианте с глубоким рыхлением следует отнести к низкой (738г/л), на варианте с нулевыми обработками (747 г/л) – к средней.

Содержание сырой клейковины — один из наиболее важных показателей качества зерна. При анализе зерна яровой пшеницы, полученного в условиях 2019г., качество клейковины на всех без исключения вариантах опыта было второй группы. В целом оба варианта в этом году обеспечили практически одинаковый выход клейковины с разницей всего лишь 0,2%.Результатыагрохимического анализа основной продукции яровой пшеницы и нута представлены в таблице 33. По содержанию азота, фосфора,

Таблица 33 — Результаты агрохимическогоанализазерна яровойпшеницы и нута при различных технологиях их выращивания (содержание вабсолютно- сухом веществе, %)

калия и кальция в зерне яровой пшеницы преобладает вариант с нулевыми обработками. Однако данный вариант опыта уступает варианту с глубоким рыхлением по содержанию жира. Во всех вариантах опыта содержание нитратов не выходило за пределы ПДК, но на варианте No-till оно подходилоблизко к этому значению.

В зерне нута по содержанию азота, фосфоратакже преобладает вариант с нулевыми обработками.Однако данный вариант опыта уступает варианту с глубоким рыхлением по содержанию жира, калия и кальция. По содержанию нитратов оба варианта опыта не выходили за пределы ПДК и имели практически одинаковый результат – 42,1-42,7 мг/кг почвы.

3.4.4 Экономическая эффективность севооборотов

Конечной целью любых исследований является определение наиболее экономически эффективных вариантов, которые можно применить в производстве.

При возделывании нутаресурсосберегающие технологии превосходят традиционную вспашку по экономической эффективности. Снижение интенсивности обработки почвы от вспашки к мелким обработкам способствует снижению затрат труда на производство основной продукции в зависимости от способа посева с 3,37-4,41 до 2,57-3,60 – чел.-час. на 1 га, то есть на 0,80-0,81 чел.-час. на 1 га(таблица 34).Затраты на производство основной продукции, при этом, уменьшаются пропорционально снижению интенсивности обработки почвы на 1012-1170 руб./га, соответственно, увеличивается и рентабельность производства на 84-132%.

Применение сеялки АУП-18.05 наряду с увеличением урожайности обеспечило и лучшие экономические показатели по сравнению с сеялкой DMC-Primera. Это обусловлено уменьшением количества технологических операций при возделывании нута, а именно исключением предпосевной и междурядных культиваций. Производственные затраты при этом снизились на 1340-1578руб./га, повысилась прибыль на 1838-3183 руб./га и увеличилась рентабельность производства нута на 46-94 %.

По результатам проведенных исследований на варианте с ежегодным плоскорезным рыхлением почвы (6 вариант) совместно с посевом сеялкой АУП-18.05 получены наилучшие экономические показатели, а именно наименьшие затраты на производство основной продукции — 453 руб./ц, самая высокая прибыль от реализации продукции — 1247 руб./ц и максимальный уровень рентабельности — 275%.

Таблица 34 -Экономическая эффективность возделывания нута в зависимости от способов обработки почвы и посева.

* — № варианта опыта

Показатели экономической эффективности возделывания яровой пшеницы дают понять, что применение ресурсосберегающих приемов обработки почвы, по отношению к контролю, способствует снижению затрат на производство на 602,92 — 1211,45 руб. в расчете на 1 га(таблица 35).Также происходит снижение затрат труда при замене вспашки на менее интенсивные способы обработки на 0,37-0,85 чел-час/га.

Дискование почвы на 10-12 см оказалось самыми невыгодным способом обработки в опыте, где наряду с низкой урожайностью была получена наименьшая прибыль 2998,46 руб./га, и рентабельность производства здесь была наименьшей – 67,5 %.

По результатам опытов, лучшим следует признать ежегодное плоскорезное рыхление, где получены максимальная прибыль -5509,93 руб./га и рентабельность производства 109,1 %.

Таблица 35 — Экономическая эффективность производства яровой пшеницы в зависимости от способа обработки почвы

Экономическая оценка эффективности возделывания проса показала, что все изучаемые системы основной обработки почвы в севообороте были рентабельны. Это связано с высокой урожайностью проса. В расчетах была использована цена реализации проса равная 11000 руб. за тонну.

Результаты экономической оценки выявили, что применение ресурсосберегающих способов обработки почвы таких, как плоскорезная обработка, мелкое рыхление и дискование, способствует снижению затрат труда на производство основной продукции на 0,27-0,71 чел.-час на 1 га, по сравнению со вспашкой(таблица 36).

Затраты на производство также снижались с уменьшением интенсивности обработки почвы на 792-1084 руб./га по сравнению с контролем.

Наименьшая прибыль от реализации основной продукции получена на вспашке – 765 руб./ц. На этом же варианте получена минимальная рентабельность в опыте – 229%.

Применение ежегодногодискования почвы на 10-12см в опыте обеспечивает наилучшие экономические показатели, а именно минимальные затраты на производство основной продукции– 210 руб./ц. Здесь получены также максимальная прибыль – 889 руб./ц и рентабельность производства – 422%.

По показателям экономической эффективности производства овса плоскорезное рыхление следует признать лучшим способом основной обработки почвы. Именно на этом варианте получена наибольшая прибыль от реализации продукции — 2 494 руб./га., наименьшие затраты –526 руб./ц и соответственно максимальная рентабельность производства – 52% (таблица 37).

Таблица 36 -Экономическая эффективность производства проса в зависимости от способа обработки почвы

Таблица 37 -Экономическая эффективность производства овса в зависимости от способа обработки почвы

Исходным материалом для расчёта экономической эффективности возделывания культур второго стационара в условиях центральной зоны Оренбургской области – являлись технологические карты.

При этом мы сравнивали два севооборота, где опытные культуры возделывались по технологии No-till и по традиционной технологии. Схемы севооборотов представлены ниже:

Севооборот в системеNo-tillСевооборот с традиционнойтехноло-

гией возделывания с/х культур

1. Нут 1. Пар чистый
2. Яровая пшеница 2. Озимая пшеница
3. Сорго 3. Яровая пшеница
4. Яровая пшеница 4.Сорго
5. Подсолнечник 5. Ячмень
6. Ячмень 6. Подсолнечник

Получение чистой прибыли является основной целью возделывания любой сельскохозяйственной культуры, Наибольшая прибыль получена от подсолнечника на семена. Там, где он возделывался по традиционной технологии прибыль составила 31121 руб./га; по нулевой технологии – 48530 руб./га (таблицы 38-39).Наибольшие затраты в зернопаропропашном севообороте составили у озимой пшеницы – 11723 руб./га; в плодосменном – у нута (10469 руб./га).

Таблица 38 -Экономическая эффективность возделывания с/х культур в шестипольном зернопаропропашном севообороте

Таблица 39 -Экономическая эффективность возделывания с/х культур в шестипольном плодосменном севообороте