Органические удобрения. 
Сельскохозяйственная микробиология.

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.

При переводе животноводства на промышленную основу в хозяйствах получают «жидкий навоз». Содержание воды в нем достигает 90—98%. Однако фракция сухих веществ такого навоза по составу близка к обычному.

Д. Н. Прянишников различал четыре способа хранения навоза: под скотом; нерегулированное хранение на гноище; приготовление «холодного» навоза немедленным уплотнением в навозохранилище и изготовление «горячего» навоза при временной рыхлой укладке с последующим уплотнением.

При хранении навоза под скотом формируется удобрение высокого качества. Однако антисанитарные условия, возникающие при гаком способе хранения, заставляют отказываться от его применения.

При нерегулируемом хранении навоз вывозят и сваливают на гноище. В зависимости от условий хранения он может получаться удовлетворительного или низкого качества. Уплотнение навоза, защита его от дождя, предупреждение стока жидкости — все это условия получения навоза с хорошими удобрительными свойствами.

Холодным способом навоз готовят в специальных навозохранилищах с бетонированными дном и стенами. В навозохранилищах должен быть колодец для сбора стекающей на дно навозной жижи. Завезенный в хранилище навоз сразу же уплотняют, а по заполнении помещения изолируют его поверхность от воздуха. Брожение такого навоза протекает медленно, и температура нс поднимается выше 30—40 °С.

При горячем способе приготовления навоз держат в хранилище некоторое время в виде рыхлой массы, без уплотнения, примерно метровым слоем. Через два—четыре дня, когда температура массы поднимается до 60—70 °С, ее уплотняют и укладывают сверху второй слой навоза, который разогревается, а нижний уплотненный слой постепенно охлаждается и т. д.

Описанный способ приготовления навоза вызывает значительные потери питательных для растений веществ, и прежде всего — соединений азота. Раньше предполагали, что при горячем способе погибают семена сорняков. Это считалось преимуществом способа. Однако в специальных опытах указанное предположение не подтвердилось. В связи с этим в последнее время горячий способ приготовления навоза считают нерациональным.

Динамика температуры при горячем и холодном способах приготовления навоза показана на рисунке 19. Интенсивность разогревания зависит не только от доступа воздуха, но и от состава навоза. Существенно влияние на разогревание навоза и количества находящейся в нем подстилки. Чем больше соломы, тем сильнее навоз разогревается. Солома обеспечивает более рыхлую укладку навоза, лучшую аэрацию его массы и развитие аэробных микробиологических процессов, выделяющих много тепла.

В свежем навозе размножается огромная масса разнообразных микроорганизмов. В зависимости от условий хранения навоза их развитие имеет специфику. В таблице 9 приведены данные о раз;

Рис. 19. Температура навоза, созревающего в разных условиях: / — при горячем способе хранения;

2 — при холодном способе хранения витии сапротрофных мезофильных микроорганизмов при хранении смешанного навоза холодным способом. Они показывают, что главную роль в созревании холодного навоза играют неспорообразующие бактерии, а численность бацилл и актиномицегов здесь невелика. В свежем навозе 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. megateriит, В. mycoides и т. д., но при холодном способе приготовления эти виды размножаются слабо.

Таблица 9

Динамика численности микроорганизмов при созревании холодного навоза, млн на 1 г навоза (по: В. Н. Былинкина).

Многие аммонифицирующие бактерии навоза могут вызывать распад мочевины. Общее число подобных форм микроорганизмов достигает 200—300 млн на 1 г навоза. Грибы существенного значения в созревании холодного навоза не имеют, так как для их развития нужен обильный доступ воздуха.

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 целлюлозоразлагающую бактерию Clostridium thermocellum. Но в целом группа термофильных и термотолерантных бактерий в холодном навозе немногочисленна и не превышает 1 — 1,5 млн на I 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. Через несколько дней, когда температура навоза поднимется до 60—70 °С, его уплотняют.

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 актином и петы 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 нс 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. Динамика численности микроорганизмов в горячем навозе приведена в таблице 10.

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. Данные Д. Н. Прянишникова, характеризующие энергию разогревания навоза, приведены в таблице 11. Если, например, для парникового хозяйства нужно получить более равномерное и продолжительное разогревание почвы, то пользуются смесью навоза разных животных.

Рассмотрим характер изменений основных компонентов навоза при его созревании. До 40% азота находится в навозе в виде гиппуровой и мочевой кислот, но большая часть — в виде мочевины. Последняя легко гидролизуется уробактериями и многими сапротрофными бактериями. При этом образуется углекислый аммоний, который легко диссоциирует на NH₃ и С0₂.

Таблица 10

Динамика численности микроорганизмов

при созревании холодного навоза, млн на 1 г навоза

(по: В. Н. Былинкина)

Таблица 11

Динамика температуры в разогревающемся навозе, °С.

бб Если атмосфера насыщена диоксидом углерода, то диссоциация карбоната аммония не происходит. Это способствует сохранению аммиака, так как после диссоциации он улетучивается из навоза. Таким образом, при рыхлом состоянии навоза потери азота сильно возрастают. Плотная укладка навоза способствует насыщению всей его массы С0₂, который образуется бактериями при разложении разных углеродсодержащих веществ.

При повышенной температуре распад мочевины и карбоната аммония усиливается, поэтому при горячем способе приготовления навоза потеря азота возрастает до 30%. Правильное приготовление навоза холодным способом резко снижает потери азота. Если вместо соломенной подстилки применяют торфяную, хорошо поглощающую аммиак, то потери снижаются до нескольких процентов.

В аммиак постепенно превращаются и другие содержащие азот соединения — гиппуровая и мочевая кислоты, а также белковые вещества. Все указанные соединения подвергаются микробиологическим трансформациям в начальный период созревания навоза. В аэробных условиях азот в навозе частично теряется вследствие нитрификации. Если аммиак окисляется до азотной кислоты, то она вымывается из поверхностных слоев навоза в более глубокие и там подвергается восстановлению денитрифицирующими бактериями. Нитриты, образующиеся при нитрификации, также могут реагировать с аминокислотами, и при этом выделяется свободный азот. Для уменьшения потерь азота в навоз рекомендуется вносить гипс, который, реагируя с аммиаком, дает нелетучий сульфат аммония.

Убыль сухого вещества при созревании горячего навоза достигает 40%, а холодного — 20—25%. При этом основные потери определяются разложением углеродсодержащих соединений. Распаду подвергаются пентозаны, пектиновые вещества, целлюлоза и другие соединения. Пентозаны и пектиновые вещества сбраживаются легче, чем целлюлоза и особенно лигнин. В процессе приготовления навоза соотношение С: N постепенно сужается.

Значительная часть растительных остатков и других компонентов навоза во время его созревания подвергается гумификации. Гумусовые соединения медленно минерализуются, вследствие чего азот (частично и фосфор) действует не только в первый год после внесения навоза, но и, в последующие по крайней мере два года.

Перевод животноводства на промышленную основу связан с применением бесподстилочного метода уборки экскрементов. Последние удаляют механическими или гидравлическими средствами, иногда самотеком. Жидкий навоз собирают в карантинные навозохранилища, при необходимости обезвреживают химическими средствами, затем перекачивают в основные навозохранилища.

Рис. 20. Накопление нитратов в почве в зависимости or внесения удобрений с разным соотношением С: N:

/ — зеленая масса люцерны (С: N = 17,5: 1);

• 2—клевер (С N = 16.4:1);
• 3 — без органических удобрений;
• 4 — солома злаков (С: N = 82: 1) (но: Д. Хатчингс)

Перед использованием жидкого навоза на удобрение его разделяют на твердую и жидкую фракции. Твердую часть пускают на удобрение после компостирования, жидкую неразбавленную массу также применяют как удобрение, но во вневегетационный период. Обычно жидкую фракцию навоза используют для удобрительно-увлажнительного полива во время вегетации растений при разбавлении водой в 2—10 раз.

В бесподстилочном навозе значительная часть азота (40—60%) содержится в форме аммиака. Поэтому при его использовании целесообразно применять ингибиторы нитрификации.

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 (рис. 20).

Солома. В последнее время солому также используют как органическое удобрение. Внесение соломы обогащает почву гумусом. Кроме того, в ней содержится около 0,5% азота и другие необходимые растениям элементы. При рахюжении 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.

Проведенная в последние годы экспериментальная работа позволяет дать рекомендации по устранению неблагоприятного влияния соломы на сельскохозяйственные культуры.

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 азотфиксируюших микроорганизмов. В зависимости от ряда условий внесение I т соломы приводит к фиксации 5—12 кг молекулярного азота.

Торф. Нередко удобрением служит низовой торф. Он обладает огромной 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 1,5—4%, причем минерализуется микроорганизмами он крайне медленно. Большой экспериментальный материал свидетельствует о том, что даже огромные дозы низового торфа (100—200 т/га) не дают существенного эффекта.

Компост. Некоторые хозяйства стремятся полностью перейти на «биологическое» земледелие, отказавшись от использования минеральных удобрений и химических средств зашиты 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.

По современным представлениям, 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.

Компостирование представляет собой динамический микробный процесс, протекающий благодаря активности сообщества микрои макроорганизмов различных групп:

• • микроорганизмы — бактерии, в том числе актиномицсты; мицелиальные грибы и дрожжи; водоросли; вирусы;
• • микрофауна — простейшие;
• • высшие грибы;
• • макрофауна — двупарноногие многоножки, клещи, ногохвостки, черви, а также муравьи, термиты, пауки и жуки.

В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий — более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти вилы можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20 °C. для мезофилов — от 20 до 40 °C и для термофилов — свыше 40 °C. 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 обшей 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 IО⁵—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 °C. 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.