Введение к работе
Актуальность темы. Приоритетный национальный проект «Развитие агропромышленного комплекса» – ориентирует российскую науку на привлечение инновационных и наукоемких технологий, способных обеспечить население качественной, полноценной и безопасной продукцией растениеводства и животноводства в контексте решения общегосударственной проблемы продовольственной безопасности.
Интенсивное развитие животноводства и птицеводства в России, безусловно, сопряжено с наращиванием поголовья сельскохозяйственных животных, однако проблема утилизации органических отходов их жизнедеятельности (навоза и помета) до настоящего времени не решена (Смирнов А.М., 2004; Тюрин В.Г., 2004; Лысенко В.П., 2011; Архипченко Н.А., 2011; Матросова Л.Е., 2005, 2012) и порождает новый круг проблем, обусловленных формированием в зонах животноводческих комплексов и птицефабрик значительных территорий с повышенным уровнем биологической опасности (Шоль В.Г., 1999; Малик Н.И. и др., 2003; Салеева И.П. и др., 2007; Панин А.Н. и др., 2012).
Вокруг животноводческих предприятий накапливаются огромные залежи навоза и помета, отличающиеся высоким содержанием экологически опасных компонентов, в частности: тяжелых металлов, пестицидов, микотоксинов, медикаментозных средств, возбудителей инфекционных и инвазионных болезней, радиоактивных веществ, аммиака, сероводорода, меркаптана, фенола (Тремасов М.Я., 2010; Андреев А.Ю., 2011). Внесение такого навоза и помета в почву без предварительной обработки неприемлемо.
По данным Всемирной организации здравоохранения навоз является источником передачи более 100 возбудителей опасных для человека и животных болезней (Романенко Н.А., 1981). Общеизвестно, что возбудитель сальмонелле-за в навозе сохраняет свою жизнеспособность 92-157 сут., туберкулза – 457 сут., листериоза – более 160 сут., вирус болезни Марека – более 6 месяцев; яйца и личинки гельминтов в свином навозе сохраняются 12-15 мес., крупного рогатого скота – 7-8 месяцев. После внесения необработанных органических отходов почва в значительной степени обсеменяется микрофлорой, что повышает уровень ее биологической опасности (Тюрин В.Г., 2004; Матросова Л.Е., 2010). Кроме того, использование органических отходов без переработки нецелесообразно, т.к. сопровождается снижением содержания азота до 50-60% (Мыц Е.А. и соавт., 1996; Фомин Ю.И., 1996; Morse Д., 1994).
Существует прямая зависимость содержания техногенных экотоксикантов в тканях организма с наличием их в почве. Экотоксиканты повышают нагрузку на иммунную систему, вызывают иммунодефицит, в результате возрастает заболеваемость, уменьшается сохранность и продуктивность животных. Получаемое в результате этого некачественное, неполноценное, опасное питание приводит к росту заболеваемости среди населения, в том числе хронических инфекций.
В настоящее время ускоряется тенденция деградации и истощения почвы, теряется ее продуктивная сила, разрушается природная среда. Среду обитания, водные источники загрязняют сточные воды промышленных предприятий
крупных городов, бытовые и хозяйственные отходы. Ил из очистных сооружений содержит органические компоненты, которые могут служить благоприятной средой для развития патогенной микрофлоры. Вероятными и опасными источниками загрязнения окружающей среды являются тяжелые металлы, пестициды и другие токсические соединения (Дорожкин В.И., 2010; Menzi H. et.al., 1995). Промышленные, коммунальные выбросы, отходы сельскохозяйственных предприятий, разливы нефти и нефтепродуктов загрязняют всю пищевую цепочку человека, поскольку их принимает на себя почва, сельскохозяйственные угодья и пастбища, которые служат основой для производства сельскохозяйственной продукции и продуктов питания (Протасов В.Ф. и др., 1995).
Учитывая вышеизложенное, следует отметить, что в современном индустриальном обществе существует острая необходимость в эффективных средствах восстановления экологического равновесия. Решение экологических проблем напрямую связано с развитием прикладной биотехнологии, нацеленной на создание средств реабилитации природной среды. Современные биотехнологии, основанные на использовании микроорганизмов, участвующих в биотрансформации органических отходов животноводства в экологически чистое удобрение, способны обеспечить возрождение почвенного плодородия, существенно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, снизить до безопасного уровня содержание экотоксикантов техногенного и природного происхождения.
Биотехнологические препараты, созданные на основе консорциумов эффективных микроорганизмов, способных осуществлять очистку стоков, почв, сельскохозяйственных угодий, пастбищ от комплекса поллютантов является актуальными и широко востребованными.
Результатом настоящей диссертационной работы явилась разработка технологии лабораторного, полупромышленного и промышленного производства эффективных биотехнологических препаратов, представляющих собой устойчивый самоорганизующийся консорциум микроорганизмов – деструкторов, существенно ускоряющих ферментацию и биотрансформацию органических отходов животноводства (навоза) и птицеводства (помета) в высокоценное органическое удобрение вне зависимости от сезона. При создании препарата были использованы штаммы микроорганизмов, выделенные на базе ФЦТРБ-ВНИВИ (г. Казань). При внедрении в практику, особое внимание было уделено исследованию биобезопасности препаратов, повышению их эффективности, поиску новых форм, способов и областей применения.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка биотехнологий получения эффективных препаратов-деструкторов органических отходов для реабилитации почвы, а также создание и апробация препаратов для повышения сохранности животных.
Для реализации поставленной цели были определены следующие задачи:
- Провести поиск культур микроорганизмов, обладающих деструктивными свойствами.
Изучить морфологические, культуральные и биохимические свойства отобранных микроорганизмов, обладающих свойствами ускорять процессы ферментации органических отходов.
Изучить показатели безопасности ускорителя ферментации с оценкой острой, субхронической, хронической токсичности, аллергенных, эмбриоток-сических и тератогенных свойств.
Сконструировать консорциумы микроорганизмов для создания препаратов-деструкторов органических отходов, разработать технологические процессы их лабораторного и полупромышленного производства.
Разработать на основе биотехнологических приемов различные формы биопрепаратов – ускорителей ферментации для утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий, бытовых и коммунальных отходов, нефти и нефтепродуктов, технологии их применения.
Оценить в лабораторных и производственных условиях эффективность препаратов – ускорителей ферментации при обработке органических отходов различной природы.
Оценить эффективность ускорителей ферментации на активность роста растений (зерновых, овощей) и реабилитации почвы.
Разработать на основе биотехнологии препараты для повышения сохранности животных.
Экономически обосновать разработку и внедрение в АПК биологических методов утилизации органических отходов и получение экологически «чистой» сельскохозяйственной продукции и продуктов питания.
Разработать НД на производство и применение ускорителей ферментации.
Научная новизна работы. Из почвы, сенного настоя выделены и отобраны микроорганизмы – деструкторы органических отходов сельскохозяйственного производства, бытовых и промышленных отходов, нефти и нефтепродуктов, сточных вод, воды из различных водоемов и источников; разработаны высокоэффективные препараты – ускорители ферментации, различные формы и технологии получения и инструкции по использованию ускорителей ферментации, а также схемы их применения. Штаммы ускорителей ферментации паспортизированы и депонированы. Препараты ускорители ферментации не обладают токсическими свойствами, отдаленными последствиями, являются экологически безопасными. Установлена их высокая эффективность обезвреживания, утилизации органических отходов в течение всего года, независимо от погодных и сезонных условий. Показано положительное влияние ускорителей ферментации «УФ-1» и «Экос» на рост, развитие зерновых и овощных культур, с повышением урожая этих культур до 20%.
Внесение в почву удобрения, полученного с помощью ускорителей ферментации «УФ-1» и «Экос», способствует реабилитации почвы, повышению содержания почвенного гумуса. С помощью биотехнологических приемов созданы средства лечения и профилактики легочных и желудочно-кишечных болезней молодняка. Проведено экономическое обоснование разработки и приме-
нения ускорителей ферментации при переработке органических отходов и реабилитации почвы.
По материалам диссертации разработан препарат для переработки органических отходов животноводства и птицеводства «Экос» (Патент на изобретение № 2425016 от 27 июля 2011 г.). Получены положительные решения на выдачу патентов на изобретения: «Способ получения сыворотки крови взрослого крупного рогатого скота для культивирования клеток животных и человека» (Заявка №2011115490/10 от 19.08.2011 г.); «Полиспецифическая гипериммунная сыворотка против рото-коронавирусного гастроэнтерита и эшерихиозной диареи поросят» (Заявка №2010151702/15 от 15.12.2010 г.); «Способ получения сыворотки крови плодов коров для культивирования клеток животных и человека» (Заявка №2011126222/15 от 24.06.2011 г.).
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе комплексных исследований решена крупная научная проблема в области биотехнологии, токсикологии и ветеринарной медицины, имеющая важное народнохозяйственное значение. Научно обосновано получение и применение эффективных препаратов-деструкторов органических отходов для реабилитации почвы, а также лекарственных средств и биопрепаратов для повышения сохранности животных. По результатам исследования разработаны 14 нормативных документов, утвержденных в установленном порядке:
1. Санитарно-микологическая оценка кормов и улучшение их качества.
МСХ РФ. – М.: изд-во «Росинформагротех». 2006. -31 с.
-
Рекомендации по диагностике, лечению и профилактике отравлении животных солями тяжелых металлов и другими токсическими элементами. МСХ РФ. – М.: изд-во «Росинформагротех». 2006. -35 с.
-
Средство для биодеградации и обезвреживания навоза и помета. Технические условия от 7 августа 2007 г. – 8с.
-
Инструкция по применению средства для биодеградации и обезвреживания навоза и помета (утв. зам. руководителя Россельхознадзора от 7 августа 2007 г.).-2с.
5. Методические рекомендации по применению энтеросорбентов при от
равлениях животных (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.;
2010. -30 с.
-
Методические рекомендации по безопасности кормового, продовольственного сырья и продуктов питания (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.; 2011. -47 с.
-
Методическое пособие по лечению и профилактике комбинированных поражений животных ионизирующим излучением, микотоксинами и солями тяжелых металлов (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.;
2011. - 47с.
8. Методические рекомендации по применению пробиотиков при отравле
ниях животных (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.; 2011.-
44с.
9: Сыворотка полиспецифическая против рота-, коронавирусного гастроэнтерита и эшерихиозной диареи поросят. Технические условия (ТУ 9389-013-6
00492374-2011), (утв. директором ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ» 11.10.2011г. и согласованы нач. ГУВ КМ РТ 14.10.2011г.)- 17с.
-
Инструкция по применению сыворотки полиспецифической против рота-коронавирусного гастроэнтерита и эшерихиозной диареи поросят (утв. директором ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ» 11.10.2011г. и согласовано нач. ГУВ КМ РТ 14.10.2011г.).-3с.
-
Органическое удобрение на основе ускорителей ферментации «УФ-1» и «Экос». ТУ 2189-001-2781003-2012. – 11с.
-
Методическое пособие по переработке органических отходов животноводческих и птицеводческих предприятий в экологически чистое удобрение (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.; 2012 – 26с.
-
Методическое пособие: диагностика, профилактика и лечение сочетан-ных отравлений животных вторичными метаболитами микроскопических грибов рода Fusarium (утв. Отделением ветеринарной медицины РАСХН). М.; 2012. - 46с.
-
Технологический регламент на производство препарата на основе Bacillus subtilis для ускорения ферментации органических отходов (утв. директором ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ»). 2012. – 8с.
Апробация материалов диссертации. Основные материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научных сессиях ученого совета ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ» по итогам НИР за 2005-2011 гг., Международных и Межрегиональных и Всероссийских научно-практических конференциях (Казань 2005, 2009, 2010; Москва 2008, 2010, 2011; Харьков 2010; Краснодар 2011; С-Петербург 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 53 научные работы, в том числе 14 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 патент и 3 положительных решения на выдачу патентов, в которых отражены основные положения и выводы диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту:
поиск и отбор микроорганизмов-деструкторов выявил выраженные деструктивные свойства у микромицетов из рода Actinomyces, Candida, бактерий из рода Bacillus (разработаны паспорта на штаммы: A. fradiaе-96, C. kruzei-96, B. Subtilis - 99, которые депонированы во ВГНКИ и ФГБУ «ФЦТРБ-ВНИВИ»);
исследование морфологических, культуральных, биохимических свойств используемых штаммов, выявило отсутствие острой, субхронической, хронической токсичности, аллергенных, эмбриотоксических и тератогенных свойств на фоне четко проявляющихся антагонистических свойств в отношении патогенных E. cоli и Sal. тyphimurium при выраженном эффекте подавления роста и развития аскарид, семян сорных растений;
разработанная технология лабораторного и полупромышленного получения ускорителей ферментации отходов животноводства и птицеводства «УФ-1» и «Экос», сконструированных на основе симбионтного консорциума штаммов-деструкторов, представленных - A. fradiaе-96; C. kruzei-96 и B. subtilis-99, гарантирует их биобезопасность для животных, устойчивость при хранении и эффективность в широком диапазоне температур;
ускорители ферментации «УФ-1» и «Экос» обеспечивают быструю биотрансформацию органических отходов (навоза и помета) в высококачественное удобрение летом в течение 30-35 сут, зимой – 40-60 сут; биопрепараты эффективны в диапазоне температур +30 и -300С в лабораторных и производственных условиях; продукт биотрансформации свободен от патогенной микробиоты, характеризуется повышенным содержанием биогенных элементов (азота, фосфора и калия), не содержит экотоксикантов и является ценным органическим удобрением;
полученное удобрение при внесении в почву улучшает ее агрохимические свойства: увеличивается подвижный фосфор (Р2О5), обменный калий, снижается величина гидролитической и обменной кислотности, повышается сумма поглощенных оснований и степень насыщенности почвы основаниями, обеспечивая 20% прироста урожайности зерновых культур и корнеплодов.
использование препаратов «УФ-1» и «Экос» для обработки почв, ранее содержавших нефть и нефтешламы, демонстрирует нормальный рост зерновых культур;
разработанные технологии производства, контроля и применения ускорителей ферментации обеспечивают получение высокоэффективных препаратов, способных в короткие сроки перерабатывать органические отходы животноводства в высококачественное удобрение;
применение препаратов ускорителей ферментации для обработки сточных вод, почвы и воды, достоверно снижает уровень загрязненности объектов нефтью и нефтешламами, способствует оздоровлению окружающей среды и является экономически оправданным;
разработанные ветеринарные препараты – полиспецифическая гипериммунная сыворотка против рота-, коронавирусного гастроэнтерита и эшерихиоз-ной диареи новорожденных поросят, в комплексе с применением ускорителей ферментации органических отходов, пробиотика Энтероспорин, сорбента Фи-тосорб повышают сохранность животных при бактериальных и вирусных инфекциях, дисбактериозах и диспепсии, вызванных микотоксинами.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 323 страницах компьютерного текста и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов, практических предложений, списка литературы и приложений. Работа иллюстрирована 84 таблицами. Список литературы включает 365 источников, в том числе – 88 зарубежных авторов.
