ВЛИЯНИЕ ПСИХРОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ НА КАЧЕСТВО ВЕРМИКОМПОСТА И УРОВЕНЬ ЕГО БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

УДК 635.9
ВЛИЯНИЕ ПСИХРОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ НА КАЧЕСТВО ВЕРМИКОМПОСТА И УРОВЕНЬ ЕГО БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
Н.Н. ТЕРЕЩЕНКО, доктор биологических наук, зав. лабораторией
Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа Рос-сельхозакадемии
E-mail: ternat@mail.ru
Резюме. Одна из актуальных проблем вермикультивирования в Западносибирском регионе - содержание червей в зимний период. В статье рассматривается влияние психрофильного режима культивирования дождевых червей на численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов в органическом субстрате и на качество получаемого вер-микомпоста. Результаты исследований свидетельствуют о замедленном протекании процессов трансформации органического вещества субстрата в психрофильном режиме. Численность микроорганизмов таких агрономически ценных физиологических групп, как аммонификаторы, сокращается в 1 г абсолютно сухого вещества на 66,810s клеток, нитри-фикаторы - на 97,9 104, фосфатмобилизующие бактерии
- на 86,4106 и разрушители целлюлозы - на 6,1 105 клеток. Следствие этого - более высокое содержание в «зимнем» вер-микомпосте перекисных и полуразложившихся соединений белковой природы, обеспечивающих более высокую активность протеолитических и окислительно-восстановительных ферментов, по сравнению с его «летним» аналогом (активность протеазы выше на 9,4 %, каталазы - на 6,1 см3 02/мин г). Вермикомпост, полученный в психрофильном режиме, отличается повышенным уровнем биологической активности. Во -дные вытяжки из него обеспечивают прибавку массы корней и зеленой массы проростков пшеницы на 93,5 и 50,4% соответственно, а из вермикомпоста, полученного в стандартном мезофильном режиме, только на 43,7 и 27,6 %.
Об уменьшении глубины трансформации органического субстрата в процессе вермикультивирования в психрофильном режиме свидетельствует также снижение выхода копролитов (на 12,1 %). Кроме того, установлено увеличение физической массы дождевых червей в условиях низких температур (на 24 мг) в ущерб генеративным функциям организма. Так, количество коконов, отложенных червями при психрофильном режиме культивирования, по сравнению с червями, содержавшимися в стандартных условиях, уменьшилось более чем в 10 раз.
Ключевые слова: вермикультивирование, микроорганизмы, психрофильный режим, биологическая активность
В последние годы, как за рубежом, так и в России значительно вырос интерес к так называемой «биотехнологии гумуса» или вермикультуре - искусственному разведению дождевых червей на разнообразных органических отходах. После переработки отходов червями получают вермикомпост (биогумус) - мелкозернистый продукт темного цвета без запаха с хорошей водопрочной структурой. При этом из 1 т органического сырья можно получить 600 кг готового органического удобрения с 30 %-ным содержанием гуминовых веществ [1]. По сравнению с традиционными органоминеральными компо-стами, оно содержит значительно больше биогенных элементов в доступной для растений форме, а также широкий спектр полезной микрофлоры, придающей вермикомпосту свойства комплексного микробного удобрения и средства защиты растений одновременно [2,3].
Несмотря на то, что современная практика вермикультивирования располагает большим разнообразием технологических приемов и технических средств,
они в основном разработаны для регионов с мягким климатом и потому не всегда применимы в России и на севере Европы в условиях достаточно длительных зим с устойчивыми морозами. Активное освоение вермикультивирования в повседневной практике агропромышленного производства Западной Сибири неизбежно столкнется с необходимостью зимнего содержания дождевых червей либо в буртах на открытых площадках, либо на стеллажах в помещениях, но в любом случае в режиме низких положительных температур. При этом закономерно возникает вопрос о влиянии психрофильного режима культивирования, как на самих червей, так и на качество производимого вермикомпоста.
В соответствии с этим основной целью наших исследований было выявление особенностей культивирования дождевых червей в режиме низких положительных температур и влияния психрофильных условий на характер и интенсивность микробиологических и биохимических процессов в перерабатываемом червями органическом субстрате.
Условия, материалы и методы. В эксперименте по моделированию зимних условий вермикультивирования дождевые черви (Eisenia fetidaAndrei) в течение 2 месяцев перерабатывали торфонавозный субстрат при температуре +6...8 оС, характерной как для внутренних областей увеличенных до 1,5 м зимних вермибуртов на открытых площадках, так и для стеллажной культуры в закрытых помещениях с зимующими червями. Параллельно другую группу дождевых червей содержали в ме-зофильном режиме при +20.22 оС с соблюдением всех прочих равных условий. Исходная торфонавозная смесь на 80 % состояла из подстилочного навоза КРС и на 20 % из низинного торфа со степенью разложения 30,1 %. Влажность субстрата поддерживали на уровне 75.80 %. Норма запуска червей - 40 половозрелых особей на 1 кг субстрата. Психрофильные условия содержания моделировали с использованием холодильного шкафа ХШ-1.12.
Учет численности аммонификаторов в торфонавозном субстрате осуществляли методом прямого посева на МПА; утилизаторов азотнесодержащего органического вещества - на КАА; разрушителей целлюлозы - на среду Гетчинсона и Клейтона; спорообразующих бактерий - на комплексную среду МПА : СА = 1:1 [4]; нитрификаторов - на среду Виноградского; уробактерий - на среду Федорова [5]; денитрификаторов - на среду Гильтая [4]; фосфатрастворяющих и фосфатмо-билизующих микроорганизмов - на среду Муромцева с добавлением соответственно Са3(РО4)2 и фитина [6].
Активность каталазы определяли газометрически [5]; протеолитическую и целлюлолитическую активность - аппликационными методами по степени разрушения желатинового слоя фотопленки и убыли массы хлопчатобумажной ткани соответственно [7].
Количество нитратного азота в вермикомпосте определяли с дисульфофеноловой кислотой (ГОСТ 26488 - 85); аммиачного азота - колориметрически с реактивом Несслера (ГОСТ 26489 - 85); подвижного фосфора - по Кирсанову (ГОСТ 26207 - 91); обменного
калия - по Кирсанову методом пламенной фотометрии (ГОСТ 26207 - 91); углерода водорастворимых безазо-тистых веществ - по методу Тюрина в модификации СибНИИТ (СТП 0493925-008-93, 1993).
Уровень биологической активности полученного вермикомпоста определяли в биотесте с проростками пшеницы согласно стандартной методике [8]. Семена пшеницы в течение 30 мин. замачивали в приготовленных по специальной методике вытяжках из вермикомпоста. В качестве контроля использовали дистиллированную воду. Поскольку уровень биологической активности вермикомпоста может изменяться в процессе хранения, спустя 2 месяца после отсева копролитов были проведены повторные биотесты.
Помимо этого в конце опыта проводили учет численности и массы червей, количества отложенных коконов, а также эффективности переработки червями исходного субстрата в вермикомпост. Эффективность
переработки субстрата определяли следующим образом: полученный в результате вермикультивирования компост отделяли от червей и коконов, подсушивали до 40.50 %-ной влажности, просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм и взвешивали. По отношению массы копролитов к исходному субстрату, выраженному в процентах, судили об интенсивности процесса.
Статистическую обработку данных проводили при помощи пакета прикладных программ Snedecor ^4 [9].
Результаты и обсуждение. Мы установили значительные отличия в течение микробиологических процессов трансформации органического вещества при культивировании дождевых червей в мезофильных и психрофильных условиях. В режиме низких температур заметно сокращается численность микроорганизмов практически всех исследованных физиологических групп, за исключением денитрификаторов, количество которых возрастает, по сравнению с вермикомпостом, полученным в мезофильном режиме, почти в 2 раза (табл.1).
Угнетение нитрификационных процессов при вер-микультивировании в психрофильных условиях выра-
жается, как в 25-икратном сокращении численности нитрификаторов, так и в значительном (более чем в 2,5 раза) уменьшении содержания в готовом компосте нитратного азота (табл.2). Низкая концентрация нитратов также может быть обусловлена денитрификацией, интенсивно протекавшей в психрофильных условиях.
Численность уробактерий, разлагающих мочевину до аммиака, уменьшилась в вермикомпосте, полученном в психрофильном режиме, по сравнению с его «мезофильным» аналогом, почти в 5 раз. Учитывая, что количество аммонификаторов различается незначительно (в 1,5 раза), это, по-видимому, обеспечило одинаковое в среднем содержание аммонийного азота в обоих вариантах компоста (см. табл. 2).
В вермикомпосте, полученном в психрофильном режиме, также отмечено некоторое снижение содержания подвижных форм фосфора (см. табл. 2), что, возможно, обусловлено более низкой численностью фосфатмоби-
лизующих и фосфатрастворя-ющих бактерий (см. табл.1).
Кроме того, психрофиль-ный режим отразился на численности бацилл и неспорообразующих бактерий. При этом если число бацилл в «зимнем» вермикомпосте, по сравнению с «летним», изменилось незначительно, то количество неспорообразующих бактерий сократилось почти в 5 раз (см. табл.1). Вероятнее всего это обусловлено принадлежностью большинства неспорообразующих бактерий к микроорганизмам R-стратегии, которые меньше, чем бациллярные формы, приспособлены к психрофильным условиям, препятствующим вспышкам численности даже на богатых источниками энергии органических субстратах.
Учет численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов показал незначительные отличия между вермикомпостами, приготовленными в разных условиях (см. табл. 1). Эти факты несколько не соответствуют результатам, полученным при определении активности целлюлаз аппликационным методом, которые показали, что целлюлолитическая активность в вермикомпосте, приготовленном в мезофильном режиме, почти в 2 раза выше, чем в компосте, полученном в условиях низких температур (см. табл. 2). На наш взгляд, это свидетельствует о возможности выделения свободных целлюлаз в перерабатываемый субстрат самими червями и о подавлении этого процесса в психрофильных условиях.
Установлено усиление активности протеазы и катала-
зы в вермикомпосте, приготовленном в психрофильном режиме (см. табл. 2). Возможно, это связано с низкой скоростью процессов трансформации органического
Таблица 1. Влияние условий культивирования на численность сапрофитной микрофлоры; N х 10" клеток в 1 г абсолютно-сухого вещества (а.с.в.) субстрата_____________________________________________________________
Физиологическая группа Исходная смесь Вермикомпост
мезофильный режим психрофильный режим
Аммонификаторы; N 108 4,0 183,2 116,4
Неспорообразующие бактерии; N 108 0,2 31,8 7,1
Нитрификаторы; N 104 1,1 102,5 4,6
Денитрификаторы; N 108 34,7 154,1 309,0
Уробактерии; N 108 36,7 185,5 37,5
Микроорганизмы на КАА; N 108 0,3 98,0 11,0
Бациллы; N 106 3,9 78,0 57,0
Фосфатмобилизующие
микроорганизмы; N 106 0,1 96,3 9,9
Фосфатрастворяющие
микроорганизмы; N 106 0,1 229,0 172,6
Разрушители целлюлозы; N 105 1,9 63,2 57,1
Таблица 2. Влияние психрофильного режима вермикультивирования на агрохимические и биохимические показатели исходного субстрата и вермикомпоста _____________________________________
Ферментативная активность Содержание элементов питания, мг/100 г
Субстрат целюлаза, % протеаза, % каталаза О2 см3/ мин г рНсол N-NH. 4 N-NО3 Р О 2 5 кр С в.р.
Исходная смесь Вермикомпост: мезофильный 17,7 7,2 6,6 100,5 113,9 139,0 474,7 300,2
режим психрофильный 6,8 15,2 6,6 6,7 73,3 276,3 213,0 713,7 253,3
режим 3,5 24,6 12,7 6,8 75,8 102,9 191,3 698,7 286,0
НСР05 3,1 3,2 1,4 — 9,7 29,7 21,0 96,0 29,6
Таблица 3. Влияние температурного режима культивирования дождевых червей на уровень биологи-
ческой активности вермикомпоста и биометрические показатели дождевых червей
Режим Прирост к контролю, % Копролиты, % Масса Число
культивирования червей исходный спустя 2 месяца от исходной 1 червя, коконов,
зеленой массы\ корней зеленой массы\ корней ТНС мг шт.
Мезофильный Психрофильный НСР O5 27,6 43,7 50,4 93,5 36.3 34,2 20.3 27,5 65,0 52,9 2,4 281,0 305,0 7,1 136,5 13,0 5,3
вещества в таких условиях. Следствием этого стало более высокое содержание в «зимнем» вермикомпосте, по сравнению с его «летним» аналогом, перекисных и полуразложившихся соединений белковой природы, обеспечивающих увеличение активности протеолитических и окислительно-восстановительных ферментов.
Накопление большего количества низкомолекулярных органических веществ (аминокислот, витаминов, органических кислот и др.), обладающих свойствами стимуляторов роста растений обусловило, по-видимому, и повышенный уровень биологической активности, по сравнению с вермикомпостом, приготовленным в мезофильном режиме. Согласно результатам биотестирования, прибавка массы корней и зеленой массы проростков пшеницы к контролю, вследствие обработки их вытяжками из вермикомпоста, произведенного в психрофильных условиях, в среднем составила 93,5 и 50,4 % соответственно, а из компоста, полученного в стандартном режиме - 43,7 и 27,6 % (табл.3).
В мезофильных условиях низкомолекулярные продукты ферментации быстро минерализуются активно размножающейся сапротрофной микрофлорой вермикомпоста.
Результаты повторного биотеста показали заметное снижение биологической активности обоих видов компоста (см. табл.3). Более резкое ее уменьшение в компосте, полученном в психрофильном режиме, вероятнее всего, связано с постепенной утилизацией микроорганизмами легкодоступных низкомолекулярных органических веществ.
О снижении глубины трансформации органических веществ в процессе вермикультивирования в психрофильном режиме свидетельствует также наблюдаемое
уменьшение количества отсеваемого копролита. Кроме того, анализ биометрических показателей самих дождевых червей выявил тенденцию к увеличению в условиях низких температур их физической массы в ущерб генеративным функциям организма. Количество коконов, отложенных червями при психрофильном режиме культивирования, по сравнению с червями, содержавшимися в стандартных условиях, сократилось более чем 10 раз (см. табл.3).
Выводы. Вермикультивирование в психрофильных условиях приводит к снижению численности микроорганизмов, усваивающих органический и минеральный азот, более чем в 1,5-8,0 раз, фосфатмобилизующих бактерий - в 10 раз. Кроме того, содержание нитратного азота в таком биогумусе уменьшается на 173,4 мг/100 г фосфора - на 21,7 мг/100г. Это свидетельствует о существенном замедлении процессов трансформации органического вещества субстрата.
Стрессовое воздействие низких положительных температур на дождевых червей проявляется в преимущественном наращивании ими биомассы тела в ущерб генеративным функциям организма, что отражается в более чем 10-и кратном уменьшении числа отложенных коконов.
Психрофильный режим культивирования дождевых червей способствует значительному повышению уровня биологической активности получаемого вермикомпоста, водные вытяжки из которого обеспечивают увеличение ростостимулирующего эффекта по отношению к корням и зеленой массе проростков пшеницы, по сравнению с аналогично приготовленной вытяжкой из «летнего» вермикомпоста, почти в 2 раза.
Литература.
1. Городний Н.М., Мельник И.А., Повхан М.Ф. Биоконверсия органических отходов в биоиндустриальном хозяйстве. - Киев: Урожай, 1990. - 256 с.
2. Карпец И.П., Мельник И.А. Вермикультура - источник нового эффективного удобрения //Достижения науки и техники.
- 1990. - № 10. - С.17-19.
3. Терещенко Н.Н., Бубина А.Б. Микробиологические механизмы формирования фунгистатических свойств вермикомпоста и грунтов на его основе // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2007. - №11. - С. 1 - 7.
4. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.И. Нетрусов, М.А. Егоров, Л.М. Захарчук и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 608 с.
5. Ежов Г.И. Руководство к практическим занятиям по сельскохозяйственной микробиологии - М.: Высшая школа, 1974. - 287с.
6. Сеги Й. Методы почвенной микробиологии - М.: Колос, 1983. - 295 с.
7. Некоторые новые методы количественного учета почвенных микроорганизмов и изучения их свойств: Методические рекомендации. - Л.: Изд-во ВНИИ СХМ, 1987. - 26с.
8. Семена сельскохозяйственных культур (методы определения всхожести). -ГОСТ 12038-84. - Москва. - 1985. - 57с.
9. Сорокин О.Д. Прикладная статистика на компьютере - Новосибирск: ГУП РПО СО РАСХН, 2004. - 162 с.
INFLUENCE OF PSYCHROPHILIC CONDITIONS FOR EARTHWORM’S CULTIVATION ON THE QUALITY OF VERMICOMPOST AND ITS BIOLOGICAL ACTIVITY
N.N. Tereshchenko
Summary. One of the actual problems of vermicultivation in West Siberian region is the winter cultivation of worms. The paper deals with the influence of psychrophilic conditions of vermicultivation on the number of the basic ecological-trophic groups of microorganisms in organic substrate and on the quality of vermicompost. Studies indicate a slowing of the transformation of organic matter in psychrophilic conditions: the number of microorganisms of major agronomically important physiological groups, such as ammonifiers, nitrifiers, phosphate mobilizing and cellulolytic bacteria is significantly reduced. As a result, the «winter» vermicompost, compared to his «summer» counterpart, contains more peroxide compounds and decayed nature of the protein that provide higher proteolytic and redox enzymes activity. Vermicompost produced in psychrophilic mode also features a higher level of biological activity: aqueous extracts of «winter» vermicompost provide 93.5 and 50.4% increase of roots and green mass of wheat seedlings, respectively. To compare the effectiveness of similarly prepared extracts from vermicompost produced in standard mesophilic regime, was for the mass of roots and green mass, respectively, 43.7 and 27.6%.
Reducing in the depth of transformation of organic substrates in a psychrophilic vermicultivation mode also determines the reduction in the yield coprolite. An analysis of biometric indicators of earthworms showed a tendency to increase their physical mass in the low-temperature conditions at the expense of the generative functions: number of cocoons laid by worms in psychrophilic mode of cultivation, compared with worms in the standard conditions, decreased by more than 10 times.
Key words: vermicultivation, microorganisms, psychrophilic conditions, biological activity.