Органические удобрения

Органические удобрения — навоз, городские отходы, компосты и др. способствуют интенсификации микробиологических процессов, поскольку они являются источником энергии и элементов питания микроорганизмов.

Навоз. Содержание органического вещества в навозе состав­ляет 20—25%; количество питательных для растений веществ огра­ничивается долями процента (0,5% азота, 0,2% Р₂0₅, 0,6% К₂0) и около 75% воды. Органическая часть навоза в расчете на беззоль­ную сухую массу содержит до 40% перегнойных соединений, около 30% целлюлозы и лигниноподобных веществ.

В свежем навозе размножается огромная масса разнообразных микроорганизмов. Первоначально более половины микроорганиз­мов составляют кокковидные бактерии, число которых постепенно уменьшается. Большинство из них являются аммонификаторами, начинающими гнилостный процесс.

В навозе довольно много бактерий рода Pseudomonas, предста­вителей группы кишечной палочки и других неспорообразующих палочковидных аммонификаторов. Некоторые из них могут вызы­вать денитрификацию. В навозе присутствуют и гнилостные спорообразующие бактерии — Bacillus subtilis, В. mesentericus, В. megateri ит, В. mycoides и т. д., но при холодном способе приготовления эти виды размножаются слабо.

Многочисленна в навозе группа аэробных микроорганизмов, разлагающих целлюлозу. Среди них много представителей Cytophaga, несколько беднее представлен род Cellvibrio и др. Обнаружены также анаэробные разрушители целлюлозы (Clostridium omelianskii). В холодном навозе можно встретить термофильную целлюлозоразлагаюшую бактерию Clostridium thermocellum. Но в целом группа термофильных и термотолерантных бактерий в холодном навозе немногочисленна и не превышает 1—1,5 млн на 1 г массы.

В навозе встречаются нитрификаторы, проявляющие актив­ность только в самом поверхностном его слое, куда проникает необ­ходимый им кислород. Помимо окисления аммиака, некоторые из этих микроорганизмов разлагают в навозе пуриновые основания.

Иначе развивается процесс при горячем способе созревания навоза. В первый период созревания в рыхло сложенной массе бурно развиваются разнообразные мезофильные микроорганизмы — аэробные неспороносные бактерии, грибы и частично актиномицеты.

В результате подъема температуры и удаления из навоза воз­духа большая часть мезофильной микрофлоры отмирает. Некоторая часть актиномицетов и неспорообразующих бактерий переносит повышенную температуру в анабиотическом состоянии. Активно размножаться в разогревшемся навозе могут лишь термофильные и термотолерантные актиномицеты и бактерии. Последние пред­ставлены в основном спорообразующими формами (Bacillus subtilis, В. mesentericus). Целлюлозу в горячем компосте разлагает термо­фильная бактерия Clostridium thermocellum.

Абсолютная численность термофильных микроорганизмов в навозе даже в период разогревания не бывает высокой. Это можно объяснить тем, что хотя эти микроорганизмы быстро размножают­ся, индивидуальная жизнь их коротка. Обмен веществ в клетке тер­мофилов идет очень интенсивно, что приводит к сильному разогре­ванию субстрата, в котором они размножаются.

Степень повышения температуры навоза зависит не только от доступа кислорода, но и от состава навоза. Например, при окисле­нии содержащих азот органических веществ выделяется больше теп­ла, чем при распаде углеводов. Поэтому конский навоз, в котором больше веществ, содержащих азот, разогревается сильнее, чем навоз крупного рогатого скота.

Скорость минерализации навоза в почве определяется рядом факторов, но при других благоприятных условиях она зависит в ос­новном от соотношения в навозе С: N. Обычно навоз вызывает по­вышение урожая в течение двух-трех лет в отличие от азотных удоб­рений, которые не имеют последействия. Широко используют так­же зеленые удобрения, или сидераты. Это растительная масса, запахиваемая в почву. Она более или менее быстро минерализуется в зависимости от почвенно-климатических условий.

Солома. В последнее время солому используют как ор­ганическое удобрение. Внесение соломы обогащает почву гумусом. Кроме того, в ней содержится около 0,5% азота и другие необходи­мые растениям элементы. При разложении соломы выделяется мно­го диоксида углерода, что также благотворно действует на посевы.

Еще в начале XIX в. английский химик Ж. Деви указывал на возможность применения соломы как органического удобрения.

Однако до последнего времени запахивать солому не реко­мендовали. Это обосновывали тем, что в соломе велико соотно­шение С: N (около 100:1), и ее заделка в почву вызывает биоло­гическое закрепление минерального азота. Растительные материалы с меньшим соотношением С: N такого явления не вызывают. Рас­тения, посеянные после запашки соломы, испытывают недостаток азота. Исключение составляют лишь бобовые культуры.

Недостаток азота после заделки соломы можно компенсиро­вать внесением азотных удобрений из расчета 6—7 кг азота на 1 т запаханной соломы. При этом положение не вполне исправляется, так как солома содержит некоторые вещества, токсичные для расте­ний. Требуется некоторый период времени для их детоксикации, которую проводят микроорганизмы, разлагающие эти соединения.

В условиях северной зоны солому в виде резки целесообразно запахивать в верхний слой почвы. Здесь в аэробных условиях все токсичные для растений вещества довольно быстро разлагаются. При мелкой запашке через один-полтора месяца происходит разру­шение вредных соединений и начинает освобождаться биологиче­ски закрепленный азот. На юге, особенно в субтропической и тро­пической зонах, разрыв времени между заделкой соломы и посевом может быть минимальным даже при глубокой запашке. Здесь все неблагоприятные факторы перестают действовать быстро.

При соблюдении приведенных рекомендаций почва обогаща­ется органическим веществом и в ней активизируются мобилизаци­онные процессы, в том числе деятельность азотфиксирующих мик­роорганизмов. В зависимости от ряда условий внесение 1 т соломы приводит к фиксации 5—12 кг молекулярного азота.

Торф. Нередко удобрением служит низовой торф. Он обла­дает высокой зольностью и влагоемкостью (полная влагоемкость достигает 90%). В сухом веществе такого торфа содержится 80—93% органических соединений, три четверти которых — гумусовые и лигниноподобные вещества. Содержание органического азота в низовом торфе колеблется в пределах 2%, причем минерализуется микроорга­низмами он крайне медленно.

Компост. Некоторые хозяйства стремятся полностью перейти на «биологическое» земледелие, отказавшись от использования ми­неральных удобрений и химических средств защиты растений. Это связано с охраной окружающей среды. Однако для высоких урожаев требуются достаточно высокие дозы органических удобрений.

В настоящее время для получения органических удобрений используют метод компостирования различных органических отхо­дов. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от город­ского мусора, представляющего собой смесь органических и неорга­нических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты.

Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации сме­шанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной тем­пературы и влажности (по К. Форстеру и Д. А. Вейду, 1990). В про­цессе биодеградации органический субстрат претерпевает физи­ческие и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представля­ет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы.

Процесс компостирования представляет собой сложное взаи­модействие между органическими отходами, микроорганизмами, влагой и кислородом. В отходах обычно существует своя эндогенная смешанная микрофлора. Микробная активность возрастает, когда содержание влаги и концентрация кислорода достигают необходи­мого уровня. Конечный продукт, компост, содержит наиболее ста­бильные органические соединения, продукты распада, биомассу мертвых микроорганизмов, некоторое количество живых и продук­ты химического взаимодействия этих компонентов.

В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий — более 2000 и не менее 50 видов грибов. На по­следней стадии компостирования преобладают, как правило, мезофилы. Хо­тя количество бактерий в компосте очень велико — 10⁸—10⁹ клеток на грамм влажного компоста, из-за малых размеров (1—8 мкм) они составляют менее половины общей микробной массы.

Актиномицеты растут гораздо, медленнее, чем большинство бактерий и грибов, и на ранних стадиях ком­постирования не составляют им конкуренции. Они более заметны на последующих стадиях процесса компостирования. Их численность ниже числен­ности бактерий и составляет величину порядка 10⁵—10⁶ клеток на грамм влажного компоста.

Грибы играют важную роль в деструкции целлюлозы, и состояние компостируемой массы должно регулироваться таким образом, чтобы опти­мизировать активность этих организмов. Важным фактором является темпе­ратура, так как грибы погибают, если она поднимается выше 55 °С. После понижения температуры они вновь распространяются из более холодных зон по всему объему компостируемой массы.

Вирусы — ультрамикроскопические облигатные паразиты, вызываю­щие заболевания растений, животных и человека. Если зараженный расти­тельный материал подвергается компостированию, количество патогенных вирусов в нем резко снижается преимущественно благодаря температурно-временным воздействиям.

Простейшие — одноклеточные организмы, питающиеся бактериями, водорослями и другими простейшими. Полагают, что именно простейшие управляют численностью бактериальной популяции.

После того как достигнут максимум температуры, компост, остывая, становится доступным для широкого ряда почвенных животных. Они по­едают других животных, их экскременты и органические остатки. Многие почвенные животные вносят большой вклад в переработку компостируемо­го материала благодаря его физическому дроблению. Эти животные также способствуют перемешиванию разных компонентов компоста. Ткани орга­низмов, принадлежащих макрофауне, богаты азотом и легко разрушаются. Масса этих организмов представляет собой непрерывно пополняемый и опус­тошаемый запас соединений азота.

Органические отходы. Органические отходы промышленно­го, сельскохозяйственного или коммунального происхождения пред­ставляют собой смесь сахаров, белков, жиров, гемицеллюлозы, цел­люлозы, лигнина и неорганических солей в широком интервале концентраций.

Состав фракций растительных отходов зависит от воз­раста растения, его типа и среды. Свежее растительное сырье содер­жит много водорастворимых веществ, белков и солей. При увеличе­нии возраста соли возвращаются в почву и низкомолекулярные со­единения превращаются в более высокомолекулярные, особенно гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Состав отходов животно­водства зависит от типа животного и от его корма. В процессе компостирования простые низкомолекулярные соединения легко метаболизируются микроорганизмами, а полимерные соединения – после их гидролиза экзоферментами.

Когда органические отходы складывают для компостирова­ния, то благодаря изолирующему влиянию субстрата сохраняется теп­лота, образующаяся вследствие биологической активности, и темпе­ратура повышается. Процесс компостирования можно раз­бить на четыре стадии: мезофильная, термофильная, остывание, созревание.

В начальной мезофильной стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, темпе­ратура поднимается до 40 °С, среда подкисляется за счет образова­ния органических кислот.

При увеличении температуры выше 40 °С начинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы. Это поднимает температуру до 60 °С, при которой грибы становятся неактивными. Далее процесс продолжается спорообразующими бактериями и актиномицетами; рН среды повышается. В течение тер­мофильной фазы наиболее легко разлагаемые субстраты, такие как сахара, крахмал, жиры, белки, быстро потребляются, и скорость процесса начинает падать после того, как в него вовлекаются более устойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения стано­вится равной скорости теплопотери, что соответствует достижению температурного максимума.

Затем компост вступает в стадию ос­тывания. В течение стадии остывания рН медленно снижается, но среда остается щелочной. Термофильные грибы из более холодных зон вновь захватывают весь объем компостируемой массы и вместе с актиномицетами потребляют трудноразложимые полисахариды, гемицеллюлозу и целлюлозу, разрушая их до моносахаридов, кото­рые потом могут быть использованы широким кругом микроорга­низмов.

Первые три стадии компостирования — мезофильная, термо­фильная, остывания протекают очень быстро, за дни или недели, в зависимости от используемой системы компостирования. Заклю­чительная стадия — созревани е, в течение которой потери массы и тепловыделения малы, длится несколько месяцев. В этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками отмерших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Конечная реакция компоста — слабощелочная.