Введение к работе
Актуальность проблемы. Хозяйственная деятельность приводит к накоплению большого количества отходов. Анализ информационных материалов показывает, что за год в России образуется более 750 млн т отходов органического происхождения. По данным Росстата, только растительных отходов за год формируется более 180 млн т, около 120 млн т животноводческих, более 2,5 млн т осадков сточных вод. При этом на долю Приволжско-Уральского региона приходится 28% накопления органосодержащих отходов. Если отходы рассматривать не только с позиций загрязнения среды, но как недоиспользованное сырье, то с этой точки зрения представляется возможным вернуть в ресурсный цикл значительную часть органических и других отходов. Это особенно важно при дефиците органического вещества в интенсивно возделываемых агроэко системах. Замкнутость природных циклов круговорота веществ обеспечивается иерархической организацией трофических цепей. Все процессы разложения в природе происходят под воздействием различных представителей мезо- и микрофауны. Разработав практические подходы к возможности управления процессами деструкции отходов биологическими объектами в заданном направлении, можно обеспечить получение экологически безопасного удобрения из отходов и повысить экологическую безопасность хозяйственной деятельности. В настоящее время многие исследования ведутся на основе технических решений утилизации отходов (Ладонин, 2002; Касатиков, 1996), а перспективной альтернативой является биологический способ, который позволяет использовать естественные редуценты для трансформации отходов и оптимизации агроэко систем. Такой подход к реутилизации отходов требует разработки как методологических принципов, так и технологических приемов их использования. Нерешенным остается также вопрос об определении статуса переработанных отходов, что делает проблематичным их использование в агроценозах.
Проблемы утилизации отходов организмами-редуцентами, оптимизация использования трансформированных форм отходов в агроценозах - малоизученная область науки, однако актуальность разработки биоэкологических природосообразных методов переработки и использования отходов возрастает по мере увеличения объемов и нагрузки на природную среду.
Цель и задачи исследований.
Цель работы - разработка методологических основ экологической оптимизации биологической утилизации нетоксичных отходов на примере региона Южного Урала.
Для реализации этой цели решались следующие задачи:
-
Оценка объемов нетоксичных отходов Уральского региона, пригодных для биологической утилизации.
-
Комплексный анализ отходов на основе их химического, физико-механического состава, биологических и экологических свойств.
3. Разработка алгоритмов экологической оптимизации биологической
переработки нетоксичных отходов.
-
Оценка эффективности применения полученного из отхода продукта в системе почва-растение.
-
Интегральная оценка экологической безопасности использования нетоксичных отходов в агроэкосистемах.
Научная новизна и теоретическая значимость. На основе двадцатилетних исследований по использованию нетоксичных отходов во вторичном цикле хозяйственной деятельности впервые разработаны основные критерии их биоэкологической оценки для применения в качестве удобрений. Определены ресурсы сырья для биологической утилизации нетоксических отходов и разработаны алгоритмы биологической переработки с использованием редуцирующих организмов включая вермикультуру. Проведена оценка изменения свойств масс отходов по этапам биологической утилизации. Показано, что при вермикомпостировании оптимизация рецептуры субстратов, создаваемых на основе сельскохозяйственных отходов, улучшает популяционную структуру Eisenia foetida. Отмечен повышенный адаптивный потенциал дождевых червей, используемых в качестве «пробников». Экспериментальным путем установлена оптимальная плотность заселения вермикультурой субстратов, приготовленных из различных видов навоза.
При трансформации органических отходов отмечены особенности формирования сукцессии микро- и мезофауны.
При оценке биологической полноценности растительной продукции выявлены основные биологические барьеры перехода тяжелых металлов из вер-мисубстратов.
Показано, что межпопуляционное взаимодействие микро- и мезофауны играет важную роль при трансформации органической массы отходов. Поэтому при биологической утилизации отходов предложено создавать условия для доминирования определенных видов, оказывающих наибольшее влияние на качество конечного продукта. Для своевременной корректировки управления процессом биологической утилизации предложено использовать расчет индекса видового разнообразия.
Выявлены региональные особенности формирования экологических групп почвенных организмов в зависимости от доз внесения обезвоженного сухого осадка сточных вод. Предложено считать их видовое разнообразие мерой оценки состояния биогеоценозов.
Основные положения, выносимые на защиту. Существующие объемы нетоксичных отходов в Южно-Уральском регионе могут быть полностью утилизированы и использованы в био-и агроценозах.
Научно обоснованное использование нетоксичных отходов позволяет стабилизировать функционирование агроэкосистемы Южного Урала.
Корректировка сообществ редуцирующих организмов позволяет управлять процессами деструкции органических отходов, предложенные рецепту-
ры смешивания различных отходов обеспечивают получение конечного продукта с заданными свойствами.
Разработанный комплексный алгоритм биологической утилизации позволяет регулировать качество её проведения и оптимизирует процесс оценки отходов и продуктов утилизации.
Сформированы принципы и методологические подходы к биологической утилизации нетоксичных отходов.
Практическая значимость работы. На обширном экспериментальном материале доказана возможность биологической утилизации целого ряда нетоксичных отходов и их использования для поддержания экологического баланса в сельскохозяйственном природопользовании Южно-Уральского региона. Разработанные принципы биологической утилизации отходов прошли апробацию в агрохолдингах, предприятиях группы компаний «Пауэр», использованы для организации цехов по переработке органосодержащих отходов и производству вермиудобрений в регионе, использованы в работе научно-производственного центра «Биоцентр». Технология использования экологически безопасного органического удобрения (вермикомпоста) внедрена при выращивании овощных культур в условиях защищенного грунта, а также использована в практической работе по озеленению и созданию травяных покрытий стадионов.
Установлено, что:
при использовании золы подсолнечной лузги повышается эффективность действия бактериальных удобрений;
при подборе компонентов вермисубстрата можно производить органическое удобрение с разными свойствами;
возможен расчет оптимальных плотностей популяции и регулирование численности редуцирующих организмов на основании оценки физико-химических свойств отхода;
за счет оценки биологических особенностей биообъектов и их выбора для использования в биологической утилизации возможно моделирование процесса в интересах получения более качественного удобрения.
Доказано:
использование популяций дождевых червей при вермикомпостирова-нии создает биологические барьеры при транслокации тяжелых металлов в продукты растительного происхождения;
трансформация сложной полидисперсной и многокомпонентной системы органосодержащих отходов зависит от видового разнообразия и доминирования экологических групп почвенных организмов;
возможно управление процессами катаболизма в агроценозе на основании корректировки эколого-трофических групп почвенных организмов.
На базе данных по биологической утилизации органических, органо-минеральных и минеральных отходов доказана состоятельность предложенного алгоритма при проведении биологической утилизации.
Исследованиями обоснована практическая возможность:
использования отходов для повышения биопродуктивности растений и почвенного биоразнообразия;
регулирования и управления процессом трансформации отходов для получения органического удобрения с заданными свойствами;
использования популяции калифорнийского гибрида дождевого червя Eisenia foetida для утилизации целлюлозосодержащих отходов.
Производству предложены:
оптимизированные субстраты для вермикультуры;
рецептура обогащения цеолитов минеральными добавками для использования в гидропонике;
приемы биологической утилизации целлюлозосодержащих отходов;
дозы и способы внесения отходов для стабилизации агроэкосистем закрытого и открытого типов.
Реализация результатов исследований. Материалы исследований были использованы при переработке органосодержащих отходов и производстве вермиудобрений и подтверждены актами о внедрении. Работа велась в рамках целевой программы «Отходы» 1996 г. и «Оздоровление экологической обстановки в Оренбургской области 2005-2010 гг.».
Результаты исследований нашли широкое применение в практической работе по озеленению городских территорий, а также были учтены при разработке рекомендаций по вермикомпостированию, в том числе на приусадебных и дачных участках.
Материалы диссертационной работы неоднократно использовались при подготовке Государственного отчета об экологическом состоянии Оренбургской области и отчета по госконтракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере от 25.01.2005 г. регистрационный номер 2944р/5296 и госконтракту № 1453/13 от 06 июля 2009 г., № госрегистрации 01200964890, при разработке паспортов отходов Оренбургской области и проведении кадастровой оценки вторичных ресурсов Уральского региона, а также при составлении учебно-методических пособий для студентов специальностей «Агрономия» и «Биоэкология», бакалавров направления «Экология и природопользование» ОГАУ
Достоверность научных положений и выводов подтверждена применением современных методов исследований, информационно-логического и статистического анализа данных, в том числе с использованием пакета прикладных программ.
Апробация результатов. Результаты исследований были представлены на Всероссийской центральной выставке 2003 года в г. Москве и отмечены золотой медалью, а также на областном научном конкурсе «Экотехнология-2006» (Оренбург, 2006) с присуждением первого места. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на научно-производственных конференциях, симпозиумах и других научных форумах: Киев, 1994 г.; Москва, 1996 г.; Санкт-Петербург, 2002 г.; Челябинск, 2002 г.; Оренбург, 2006;
2009 гг. Основные результаты работы отражены в монографии «Эколого-агрохимические свойства и эффективность верми- и биокомпостов» (2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована монография, рекомендации и 49 статей, основные из которых размещены в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций на соискание степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 356 страницах. Состоит из введения, обзора литературы, семи разделов, содержит 120 таблиц, приложений.
Благодарности. Выражаю благодарность моим учителям: Петровой Галине Васильевне, д.с.-х.н., профессору Оренбургского ГАУ, Мерзлой Генриетте Егоровне, д.с.-х.н., профессору, Афанасьеву Рафаилу Александровичу, д.с.-х.н., профессору ВНИИА, профессору РГАУ Черникову Владимиру Александровичу. Светлая память моим первым учителям и научным наставникам: академику РАСХН Тараканову Герману Ивановичу и профессору ВНИИА им. Прянишникова Россельхозакадемии Глунцову Николаю Михайловичу.
