Влияние лошадей на человека и объекты его хозяйственной деятельности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена, Санкт-Петербург

Влияние лошадей на человека и объекты его хозяйственной деятельности

Сельскохозяйственные науки

Зачиняев Ярослав Васильевич, доктор наук, профессор, профессор

Проблемы утилизации навоза

Конные заводы, ипподромы, конноспортивные секции проводят необходимые практические мероприятия по хранению, утилизации и реализации конского навоза. При этом решаются определённые экологические проблемы, возникающие в данной экологической системе.

Таблица 1

Зависимость численности и активности микроорганизмов, плотности почвы и урожая сахарной свеклы от уплотнения почвы и минеральных удобрений

Усреднённые данные 3-х полевых опытов 1999-2001 г.г.

Навоз и навозные компосты реализуются по свободным ценам в садоводства, подсобные и фермерские хозяйства, частным лицам.

Пример утилизации навоза - использование его в качестве эффективного органического удобрения. Внесение фосфогипса в конский навоз заметно улучшает его качество как удобрения.

Фосфогипс - распространённый промышленный отход, образующийся при производстве ортофосфорной кислоты и фосфорных минеральных удобрений (завод “Фосфорит”, Кингисеппского района, Ленинградской области РФ).

Фосфогипс - источник кальция, фосфора, серы и микроэлементов, поэтому он может использоваться для химической мелиорации почв, например, песчаных почв. При этом внесение фосфогипса улучшает структуру почвы благодаря высокому содержанию катионов Ca2+.

Нами установлено, что действие фосфогипса на конский навоз обусловлено тем, что сера, содержащаяся в нём, связывает выделяющийся аммиак в сульфат аммония. При этом одновременно углекислый газ связывается кальцием в карбонат кальция (что очень важно для кислых почв, например, в Ленинградской области):

CaSO₄ . 2H₂O + 2NH₃ + CO₂ > CaCO₃v + (NH₄)2SO₄ + H₂O

Как следует из уравнения, введение фосфогипса повышает содержание азота в почве, причём, не нитратного и не нитритного.

Нами установлено, что навозные компосты, приготовленные с добавлением фосфогипса в норме 30 т/га, при внесении под картофель и томаты значительно повышают (на 15 - 20 %) урожайность этих паслёновых культур (Выборгский, Гатчинский, Лужский и Волосовский районы Ленинградской области, Наримановский и Икрянинский районы Астраханской области РФ). Оптимальная дозировка: 1 т фосфогипса на 10 т конского навоза.

Кроме того, навозные компосты с фосфогипсом можно применять под пропашные культуры и многолетние травы.

Другие иппогенные экологические факторы, воздействующие на человека и объекты его хозяйственной деятельности

Экологические проблемы возникают при купании лошадей (поступление гиппуровой кислоты в водоём, который использует человек) и при их содержании в конюшне (загазованность воздуха помещения аммиаком и летучими аминами, загрязнение подстилки навозом и мочой (гиппуровой кислотой), опасен контакт с больными животными (сап), а также укусы, травмы человека, полученные в результате ударов ног лошадей).

Далее в диссертации приводится информация о макробиологических повреждениях (повреждение древесины лошадьми и способы защиты от биоповреждений).

Проблемы утилизации конской подстилки

Накопление в экологической системе целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства представляет серьёзную экологическую проблему.

Известно, что в качестве подстилки при денниковом содержании лошадей используют солому. Норма расхода подстилки в сутки для одной лошади 5 - 6 кг сухой соломы. При этом возникает проблема регулярной утилизации соломы.

Сжигать солому нельзя, так как в этом случае гибнут продуценты, консументы и редуценты, живущие в этой экологической нише, а также загрязняются атмосфера и литосфера.

Английские учёные обнаружили явление “медленного гниения соломы в почве при запахивании с накоплением продуктов маслянокислого брожения” и настоятельно рекомендовали не запахивать солому в почву.

Нами установлено, что запахивание соломы снижает урожайность целевой культуры и увеличивает общую кислотность почвы.

Нами также разработан метод утилизации соломы, загрязняющей окружающую среду, с помощью микроорганизмов (микромицетов-целлюлозодеструкторов), в частности, мицелиальных грибов рода Aspergillus.

Предложенный нами метод - экологически чистый, даёт возможность создавать новые технологические безотходные процессы, основанные на биологической трансформации соломы и позволяющие воспроизвести естественные процессы природных биоценозов (сообществ) в искусственных условиях (агроценозах) со значительной интенсификацией. При этом эффективно очищается окружающая среда, и получаются ценные химические вещества: жирные карбоновые кислоты, незаменимые аминокислоты и ферменты.

О необходимости микробиологической трансформации отходов коневодства

Отходы коневодства считаются традиционными органическими удобрениями, однако их применение ограничивается рядом недостатков: присутствие токсичных соединений, например, тяжёлых металлов, нестабильный состав, наличие семян сорняков и патогенной микрофлоры, большое содержание воды (жидкий навоз и сточные воды) и др.

Проблема рациональной переработки и утилизации таких отходов стала особо актуальной с накоплением больших объёмов отходов в зонах крупных конных заводов и сельскохозяйственных предприятий и появлением новых типов отходов - таких, как активный ил, сточные воды и их осадки, использование которых в исходном виде нецелесообразно и небезопасно. Поэтому, в последнее время отходы животноводства, в том числе и коневодства, а также птицеводства активно рассматриваются в качестве объектов биотехнологических исследований и разработок.

Создаются технологии, позволяющие получать новые эффективные биологические удобрения путём микробиологической конверсии отходов.

Такие подходы позволяют не только снижать недостаток органических удобрений в России, но и успешно решать экологические проблемы в зонах крупных животноводческих комплексов и конных заводов.

Биотрансформация конской подстилки - основа экологически безопасных технологий утилизации отходов коневодства и коннозаводства

Методом ИК-спектроскопии проведена оценка количественных и качественных изменений чистой и грязной конской подстилки в процессе её биотрансформации.

Нами методом ИК-спектроскопии было изучено взаимодействие НЛЦС (нативный лигноцеллюлозный субстрат - смесь чистых опилок различных древесных пород, чистая подстилка) с мицелиальным грибом - целлюлозодеструктором Aspergillus niger 412.

НЛЦС был предобработан естественными отходами коневодства (ПЛЦС - предобработанный лигноцеллюлозный субстрат - смесь опилок различных древесных пород и перепрелого конского навоза, грязная подстилка). Изменения в ИК-спектрах образцов свидетельствуют о процессе биотрансформации конской подстилки с накоплением белка. Полученные результаты могут быть положены в основу создания экологически чистой технологии утилизации отходов коневодства и коннозаводства.

Грязная конская подстилка образуется в конехозяйствах (конных заводах, ипподромах, конноспортивных секциях и др.) в значительных количествах и подлежит утилизации. При этом возникают экологические проблемы. утилизация навоз микробиологический трансформация

О масштабах образования грязной подстилки свидетельствуют следующие данные: норма расхода подстилки в сутки (в денниках подстилка меняется ежедневно) для жеребцов-производителей всех заводских пород - 5 кг сухой соломы или 15 кг сухих древесных опилок. Суточная норма расхода подстилки при денниковом содержании заводских кобыл, конематок, а также молодняка после отъёма - ещё больше - 6 кг сухой соломы или 18 кг сухих древесных опилок.

В настоящее время проблема утилизации грязной конской подстилки является до конца нерешённой. Преимущества микробиологических способов переработки лигноцеллюлозных субстратов (ЛЦС) по сравнению с экологически опасными способами, такими, как сжигание и запахивание, рассматривались нами ранее.

Важной характеристикой процесса биотрансформации является степень утилизации субстрата по целлюлозе и лигнину. Однако традиционные биохимические методы для определения этих характеристик являются трудоёмкими и требуют значительных временных затрат.

Представляется интересным исследовать процесс биотрансформации при помощи физических методов анализа. Нами был использован метод ИК-спектроскопии для определения качественных и количественных изменений в чистой и грязной конской подстилках (НЛЦС и ПЛЦС, соответственно) в процессе её биотрансформации.

Гидроксо-группы целлюлозы образуют межмолекулярные водородные связи, вследствие чего полосы поглощения н (-ОН _асс.) широкие и сдвинуты в длинноволновую область (3390 - 3300 см^-1).

Углекислый газ (О=С=О) (2340 см^-1) - продукт брожения (образец 3) (см. Таблицу 2), а также продукт жизнедеятельности микромицетов (образцы 2,4).

Таблица 2

Основные полосы поглощения в ИК-спектрах ЛЦС и продуктов биоконверсии

Анализ ИК-спектров показывает, что во всех случаях в продуктах биоконверсии ЛЦС уменьшилось количество гидроксо-групп.

Следовательно, происходит частичная утилизация целлюлозы микромицетами.

В образце 3 (ПЛЦС, грязная подстилка) резко уменьшилось количество С=С (аром.) - связей (1640 - 1600 см^-1) (уменьшение содержания лигнина) по сравнению с образцами 1 (НЛЦС, чистая подстилка) и 2 (продукт биоконверсии НЛЦС).

В процессе биоконверсии гриб Aspergillus niger 412 “предпочитает” усваивать кислородсодержащие молекулярные фрагменты - их содержание в образце 4 (продукте биоконверсии ПЛЦС) значительно ниже, чем в образце 3.

Также следует отметить, что степень утилизации субстратов в результате биотрансформации составила более 85 %. Определение проводили по методу Андеграффа с использованием антронового реактива.

Таким образом, на основании полученных экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Метод ИК-спектроскопии позволяет оценить количественные и качественные изменения в чистой и грязной конской подстилках в процессе её биотрансформации.

2. Предобработка чистой конской подстилки естественными отходами конехозяйств позволяет утилизировать целлюлозу и лигнин, что создаёт благоприятные предпосылки для разработки экологически безопасных технологий утилизации отходов коневодства и коннозаводства.

Способ утилизации целлюлозосодержащих отходов - конской подстилки путём биотрансформации

Одним из аспектов экологической проблемы можно считать накопление огромного количества целлюлозосодержащих (ЦС) отходов от целлюлозно-бумажной (ЦБП), деревообрабатывающей (ДОП) промышленности, отходов сельского хозяйства, в частности, отходов конехозяйств, бытовых стоков.

По данным экспертов Программы окружающей среды ООН (UNEP), от различных злаков, культивируемых в мире, ежегодно получается примерно 1700 млн. т соломы, бульшая часть которой не утилизируется.

По другим данным в Российской Федерации, странах Балтии и СНГ ежегодно образуется 3000 млн. т соломы, из которой с низкой эффективностью используется лишь четвёртая часть, а остальная часть, как правило, сжигается.

Накопление таких количеств отходов не может пройти бесследно для окружающей среды, возникает проблема их переработки. Например, некоторые учёные предложили один из способов утилизации соломы. Солому, оставшуюся на полях после уборки урожая, или на месте сжигают, или запахивают в почву. Ассоциация по охране окружающей среды требует запретить сжигание, поскольку из-за этого гибнут многие животные (в том числе и насекомые), живущие в этой экологической нише, а также серьёзно загрязняется атмосфера. Запахивание же, как мы уже сообщали, вызывает медленное гниение соломы, в результате которого образуется значительное количество уксусной, пропионовой, н-масляной и других карбоновых кислот, снижающие урожайность сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что на северо-западе России почвы кислые, поэтому, образование в таких почвах “новых” кислот приведёт к серьёзным экологическим последствиям.

Исходя из вышесказанного, представляется интересным и важным рассмотреть процесс биотрансформации растительных отходов с помощью микроорганизмов.

Одним из главных достоинств процессов биотрансформации растительного сырья является возможность использования экологически чистых технологий. Так как эти технологии предусматривают применение гидрометрических систем микроорганизмов и моделируют природные процессы, они не являются источником чужеродных и опасных для биосферы веществ. Отходы и побочные продукты, являясь компонентами биосферных циклов, сами могут служить сырьём, что даёт возможность создавать замкнутые безотходные циклы.

Кроме того, появляется возможность эффективно утилизировать малоиспользуемые сельскохозяйственные, промышленные и бытовые ЦС отходы, которые в нашей стране накапливаются в больших количествах и загрязняют окружающую среду.

Некоторые исследователи предлагают для “сбраживания в поле” злаковых отходов вносить в почву ассоциации целлюлолитических микромицетов, которые могли бы в короткие сроки разлагать растительные остатки. В этом случае продукты метаболизма микроорганизмов (часто токсичные) успевают вымываться из почвы до нового посева.

Наиболее перспективными микроорганизмами для утилизации ЦС отходов, в том числе и соломы, являются мицелиальные грибы рода Aspergillus, которые, обладая мощным комплексом целлюлолитических ферментов, способны частично разлагать даже лигнин.

Род Aspergillus может утилизировать отходы сельскохозяйственных производств (солома, кочерыжки кукурузы, листья и др.), отходы конехозяйств и птицефабрик, целлюлозно-бумажного производства, деревообрабатывающей промышленности и бытовые стоки.

Нами разработан метод утилизации ЦС отходов различного происхождения, загрязняющих окружающую среду, при помощи микромицетов-целлюлозодеструкторов. Для этого из коллекции кафедры молекулярной биотехнологии Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) и кафедры микробиологии Российской Военно-медицинской академии (г. Санкт-Петербург), которые зарегистрированы в WFCC Word Data. Center Riken (Japan), взяты штаммы родов Aspergillus, Helmintosporium, Trichoderma, Penicillium и некоторые другие. В результате проведённых экспериментов выбран штамм Aspergillus species BKMF-3101D, выделенный из очистных сооружений Архангельского целлюлозно-бумажного комбината. Этот штамм утилизирует ЦС отходы в большей степени. В качестве ЦС субстрата использовали измельчённую до 0,20 - 0,25 мм пшеничную солому, полученную из отдела биотехнологии нетрадиционных кормов (ОБНТК) Северо-Западного отделения Россельхозакадемии (г. Санкт-Петербург - Пушкин). В белковой части продукта (30,2 %) определяли аминокислотный состав, который представлен в Таблице 3.

В продукте биотрансформации также определяли жирнокислотный состав липидов (Таблица 4).

Таблица 3

Аминокислотный состав белковой части продукта биотрансформации

Экспериментальные результаты обрабатывали методом внутренней нормализации на интеграторе SP-4280 CES.

Таблица 4

Жирнокислотный состав липидов продукта биотрансформации

Статистически обработанные результаты определения степени утилизации отходов, целлюлазной активности, удельной скорости роста микромицетов (при n = 3, P = 0,95) приведены в Таблице 5.

Таблица 5

Статистически обработанные результаты определения степени утилизации отходов, целлюлазной активности и удельной скорости роста микроскопических грибов

КЭ - кукурузный экстракт.

Вывод

Предлагаемый метод даёт возможность создавать новые технологические процессы, основанные на биотрансформации целлюлозосодержащих отходов, позволяющие воспроизвести естественные процессы природных биоценозов в искусственных условиях со значительной интенсификацией.

Данный метод позволяет также не только очищать окружающую природную среду, но и получать практически полезные химические вещества: жирные кислоты, незаменимые аминокислоты и ферменты.

Биотрансформация конской подстилки: расширенный эксперимент

В целях воспроизводства полученных экспериментальных результатов по биотрансформации конской подстилки (оценка достоверности) мы провели дополнительный расширенный эксперимент.

Методом ИК-спектроскопии было повторно изучено взаимодействие лигноцеллюлозных субстратов (ЛЦС, конской подстилки) с микроорганизмами-целлюлозодеструкторами. Показано, что в результате воздействия микроорганизмов происходит частичная деструкция конской подстилки. Степень деструкции ЛЦС и исчезновение некоторых характеристических полос в

ИК-спектрах зависят от способа предобработки конской подстилки.

Из представленных в Таблице 6 данных видно, что из-за образования межмолекулярных водородных связей полоса поглощения ассоциированных гидроксо-групп, принадлежащих целлюлозе, сдвинута в низкочастотную область. Молекулярные фрагменты С - Н также принадлежат целлюлозе. Функциональные группы > С = О и С = С ароматич. принадлежат лигнину. Молекула СО₂ - продукт брожения (образцы 11 и 13) и продукт жизнедеятельности микромицетов (образцы 2, 4, 8, 10, 12 и 14).

Таблица 6

Основные полосы поглощения в ИК-спектрах ЛЦС и продуктов биоконверсии

После обработки опилок соляной кислотой (образцы 5, 6) в ИК-спектре исчезла полоса поглощения, отвечающая валентным колебаниям карбонильной группы в лигнине, за счёт происшедшего необратимого процесса:

д+ д-

>С = О + Н⁺ > >С⁺ - ОН (карбониевый катион)

После обработки опилок гидроксидом натрия (образцы 7, 8) также исчезла эта полоса поглощения. Отсутствие карбоксильных групп в образцах 7 и 8 согласуется с нашим мнением о полной нейтрализации этих групп в лигнине после щелочной обработки.

Поскольку ИК-спектры были сняты с проб, находящихся в твёрдой фазе, то полосы поглощения ассоциированных гидроксо- и имино-групп - широкие, размытые и достаточной интенсивности.

Анализ количественных соотношений интенсивностей полос в спектрах показывает, что во всех случаях в продуктах биоконверсии уменьшилось количество гидроксо-групп. Это произошло за счёт частичной конверсии микромицетами целлюлозы. Установлено, что существенные изменения произошли после обработки опилок пробы 13 и в продукте биоконверсии (проба 14). Уменьшилось число гидроксо-, СН- и карбонильных групп, однако количество групп С=С аром. увеличилось. Эти данные свидетельствуют о том, что предобработка ЛЦС отходами конехозяйств создала условия, при которых микромицет смог частично утилизировать лигнин.

Аналогичные изменения отмечены в образцах 9, 10, 11, 12.

В образце 11 по сравнению с образцами 9 и 10 резко уменьшилось количество групп С = С аром., а в образце 12 оно возросло примерно в 2,5 - 3 раза по сравнению с образцом 11.

Важно отметить, что самым доступным для микробиологической конверсии оказался образец 1 (конская подстилка - пшеничная солома); степень утилизации по целлюлозе достигла примерно 70 % (определено методом Андеграффа), что соответствует изменениям соотношений содержания гидроксо- и СН-групп в ИК-спектрах.

На основании вышеизложенного можно заключить, что:

1. Метод ИК-спектроскопии позволяет оценить качественные и количественные изменения в субстрате и продукте биоконверсии. Результаты изменений количественных соотношений содержания целлюлозы соответствуют данным, полученным с использованием традиционного метода.

2. Предобработка ЛЦС естественными отходами коневодства позволяет значительно утилизировать целлюлозу и в меньшей степени лигнин, что создаёт благоприятные предпосылки для разработки экологически безопасных технологий утилизации ЛЦС.

3. Поскольку полосы поглощения ассоциированных имино-групп (из белков и аминокислот) накладываются на полосы поглощения ассоциированных гидроксо-групп, то об их содержании судить нельзя, используя данный метод.

4. Действие слабых растворов щёлочи во многом аналогично воздействию естественных отходов коневодства, содержащих аммиак и амины.

Размещено на Allbest.ru