Методологические подходы к биологической утилизации отходов

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Доля компонента, %%
Окраску образцов контролировали методом
компьютерной цветометрии, измерение проводи
ли на планшетном сканере Hewlett Packard
ScanJet 3400С в цветовом режиме RGB, разреше
ние сканирования 300 dpi. Обработку получен
ных данных вели при помощи программы Adobe
Photoshop 10.0. На изображении карамели в
формате JPG выделяли участок 51×51 pix. Для
численного анализа красного (R), зеленого (G) и
синего (B) компонентов цвета брали среднеариф
метическое значение каждого компонента цвето
вой характеристики.
Система RGB – один из официально приня
тых методов оценки цвета. В основу системы
положена трехкомпонентная теория, согласно
которой смешением трех основных цветов (крас
ного, зеленого и синего) в подходящих соотно
шениях получают все остальные спектральные
цвета, а также ахроматический белый цвет.
Красный цвет соответствует излучению с дли
ной волны 700 нм, зеленый – 546,1 нм, синий –
435,8 нм [4].
Количественные показатели оценки цвета
карамели «жевательной» приведены в табл. 1.
Изменение компонентов цвета карамели
«жевательной» от дозировки красителя представ
лено графически на рис. 1.
Динамика изменения окраски образцов по
Rкомпоненту модели RGB приведена в табл. 2.
По результатам эксперимента можно реко
мендовать дозировку черносмородинового кра
сителя 2 г/кг как оптимальную при производ
стве карамели «жевательной». Использование
меньшей дозировки не позволяет получить ок
раску нужной интенсивности и стабильности.
Увеличение дозировки приведет к росту себесто
имости продукции при незначительном усиле
нии окраски.
Карамель «жевательная» характеризуется по
вышенным содержанием биологически ценных
минеральных (К, Ca, Mg, Na, P, Cu, Zn) и пек
тиновых веществ, витаминов (С, группы В, Н, Р
и др.), органических кислот.
Таким образом, разработанная технология
производства карамели «жевательной» с исполь
зованием натурального красителя имеет боль
шие перспективы промышленного внедрения,
так как позволяет расширить ассортимент кара
мели профилактического назначения с уникаль
ными органолептическими свойствами, а также
исключить применение искусственного краси
теля и ароматизатора. Применение нового спо
соба получения красителя – бескислотная обра
ботка сырья этиловым спиртом, по сравнению с
традиционным (экстрагирование подкисленны
ми водными или водноспиртовыми раствора
ми), позволяет снизить дозировку красителя в
3–4 раза и несколько уменьшить себестоимость
готовой продукции.
43,0
41,0
39,0
37,0
35,0
33,0
31,0
29,0
27,0
25,0
Литература
0
1
2
3
1. Пат. 2228344, Российская Федерация. Способ получения
антоцианового красителя из растительного сырья [Текст]
/ А.П. Один, А.Д. Хайрутдинова, В.М. Болотов; заяви
тель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. –
№ 2002131129/13; заявл. 19.11.03; опубл. 10.05.04. Бюл.
№ 13. – С. 5.
2. Рудаков, О.Б. Фракционный состав антоциановых краси
телей из растительных экстрактов и контроль над ними
методом ВЭЖХ [Текст] / О.Б. Рудаков, А.Д. Хайрутдино
ва, А.П. Один, В.М. Болотов // Вестник ВГУ. Серия: Хи
мия. Биология. Фармация. – 2004. – № 1. – С. 85–93.
3. Харламова, О.А. Натуральные пищевые красители [Текст]
/ О.А. Харламова, Б.В. Кафка. – М.: Наука, 1989. – 191 с.
4. Луизов, А.В. Цвет и свет [Текст] / А.В. Луизов. – Л.: Энер
гоатомиздат, 1989. – 256 с.
4
Рис. 1 – Изменение компонентов цвета карамели от до
зировки красителя
Методологические подходы к биологической
утилизации отходов
А.В. Филиппова, к.с.х.н., Оренбургский ГАУ
В настоящее время в систему статистических
показателей окружающей среды входят подсис
темы показателей, применяемые при изучении
тех компонентов природной среды, для охраны
которых требуется осуществление природоох
ранной деятельности в первую очередь. К ним
относятся:
• показатели состояния, загрязнения и охра
ны атмосферы;
• показатели состояния, использования и
охраны водных ресурсов;
• показатели состояния, использования и
охраны земельных ресурсов;
• показатели состояния, использования и
охраны лесных ресурсов;
• показатели состояния и охраны заповед
189
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ных территорий и лесных насаждений на тер
ритории;
• показатели охраны недр и рационального
использования минеральных ресурсов.
Однако для практической защиты окружаю
щей среды систему необходимо дополнить новы
ми показателями. Мы предлагаем включить:
• показатели потоков отходов антропогенной
деятельности в природную среду.
Современное состояние природной среды
напрямую зависит от складирования отходов, их
влияния на среды. Данный вопрос назрел и тре
бует разработки методов рационального исполь
зования вторичных сырьевых ресурсов и выбора
вариантов оптимального их использования с
целью защиты окружающей среды.
Анализ хозяйственной деятельности Орен
бургской области показывает высокую степень
накопления отходов. Область, территория кото
рой 124,0 тыс. км2, охватывает юговосточную
окраину Русской равнины, южную оконечность
Урала и южное Зауралье. Область подразделяет
ся на 35 административных районов, в которых
развиты электроэнергетика, машиностроение,
топливная, черная и цветная металлургия, хими
ческая и нефтехимическая, сельскохозяйствен
ная отрасли. Причем, сельскохозяйственная
отрасль является ведущей.
В области 10,4 млн га сельхозугодий, более
600 сельхозпредприятий и 7269 крестьянских
фермерских хозяйств. Поэтому проблема сельс
кохозяйственных отходов и их утилизации
исключительно важна. По нашему мнению,
термин «отходы» применительно к продуктам,
представляющим интерес в качестве сырьевых
материалов, не корректен. В термине «отходы» не
акцентируются свойства массообмена, особенно
это касается отходов животноводства и растени
еводства. Однако, следуя стандартизированным
определениям, далее по тексту мы будем приме
нять термин «отход».
Анализ статистических данных последней
сельскохозяйственной переписи показывает, что
идет неуклонное уменьшение поголовья скота.
Несмотря на это, выход навоза в среднем по об
ласти имеет величину, превышающую все осталь
ные сельскохозяйственные отходы. Учет количе
ства поголовья крупного рогатого скота и выход
навоза от всех категорий хозяйств по районам
Оренбургской области за 2000–2005 гг. показы
вает, что ежегодный выход навоза только от КРС
превышал 2,0 млн т и за последние 6 лет составил
14,3 млн т. Если учесть, что в области имеется
278,5 тыс. голов свиней, 243,0 тыс. голов овец и
коз, 496,0 тыс. голов птицы, то выход навоза
увеличивается до 20 млн т (за последние 6 лет).
М ср = N ⋅ Yср + M н ,
где Мср – средний выход навоза;
N – поголовье животных;
Yср – средний выход навоза на 1 особь в год;
Мн – масса накопленного навоза за предыду
щие года.
Теоретический подход к расчету выхода наво
за позволяет прогнозировать, что в 2010 году
этот показатель составит 22,337.106 тонн по
области.
Для проведения биологической утилизации и
создания высокогумусных удобрений на основе
навоза можно применять метод вермикомпос
тирования. Учет накопившихся отходов по рай
онам области позволяет выявить наиболее бла
гоприятные территории для создания цехов по
вермикомпостированию.
К таким территориям можно отнести Адамов
ский, Саракташский, Ташлинский районы, где
последние два года идет неуклонное повышение
количества скота. А также Бугурусланский,
Илекский, Оренбургский, Кваркенский райо
ны, где поголовье уменьшилось незначительно.
Такие запасы органической массы несут огром
ный потенциал свободной биогенной энергии.
Их активное использование увеличит количе
ство биосинтетических процессов в почве, в ре
зультате которых возможно будет регулировать
взаимодействие малого биологического кругово
рота с большим геологическим в условиях ант
ропогенной нагрузки.
Кроме того, данная органическая масса по
зволяет выстраивать деструктивное звено из орга
низмов разных трофических уровней, увеличи
вая биологический ресурс почвы. Подвергая
разрушению органику, почвенные организмы
не только переводят в доступную форму эле
менты и энергию, но и предохраняют ланд
шафты от самозагрязнения и гибели.
Для регулирования процесса вермикомпости
рования и выработки стратегии создания жизне
обеспечивающих условий для червей в отходах
важно знать качественные показатели субстра
тов. Проведенный анализ ряда животноводчес
ких отходов показывает некоторые отличия по
районам Оренбургской области. Формируется
определенная специфика кормов, от которых
напрямую зависит химический состав навоза.
Как потенциал для переработки методом вер
микомпостирования нам подходят все виды жи
вотноводческих отходов. Но выбор технологий
вермикомпостирования безусловно привязан и к
составу, и к местным климатическим условиям.
Все проанализированные животноводческие от
ходы имеют необходимое для успешной работы
червей стартовое содержание азота, фосфора и
калия.
В Саракташском районе отмечалось наиболь
шее количество калия. В Кувандыкском районе
преобладает азот. Навоз, взятый для исследова
ния в Адамовском районе, имел наибольший
показатель по сумме NPK. Качество нативных
190
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
1. Химический анализ ряда животноводческих отходов (подстилочный навоз КРС)
Районы
Содержание питательных веществ, %
Азот (N)
Фосфор (P2O5)
Калий (K2O)
Сумма (NPK)
0,62
0,55
0,45
0,50
1,45
1,34
1,20
1,25
0,55
0,85
0,70
1,40
1,55
1,65
0,40
0,30
0,30
1,00
0,60
0,60
2,10
1,40
1,45
0,30
0,30
0,25
0,60
0,55
0,55
1,40
1,40
1,30
Западная зона
Бузулукский
Курманаевский
Первомайский
Новосергиевский
0,54
0,51
0,50
0,50
0,30
0,28
0,25
0,25
Центральная зона
Оренбургский
Саракташский
Кувандыкский
0,55
0,60
0,65
0,30
0,30
0,30
Восточная зона
Адамовский
Кваркенский
Домбаровский
0,70
0,50
0,55
Северная зона
Северный
Асекеевский
Бугурусланский
0,50
0,55
0,50
животноводческих отходов, как правило, не от
вечает агротехническим и экологическим требо
ваниям: изза их неудовлетворительных физи
ческих свойств, наличия вредных организмов,
жизнеспособных семян сорняков, неприятного
запаха.
Подход к утилизации отходов с помощью
организмов редуцентов, в первую очередь зак
лючается в том, чтобы найти природный аналог
и воспроизвести его в условиях искусственного
регулирования. Любой организм обитает в оп
ределенной среде. Под средой мы предлагаем
понимать все то, что не является объектом и
может быть подвергнуто воздействию со сторо
ны объекта. Отход следует трактовать как среду
обитания.
редуцент
редуцент
отход
отход
внешние
внешние
условия
условия
Отход, в биологической утилизации, нахо
дится между влиянием редуцента и внешних ус
ловий. Чем больше организмов интродуцируется
в нем, тем активнее деструкция вещества. Чем
благоприятнее внешние условия, тем быстрее
проходит процесс.
Среда претерпевает значительные изменения.
Элементы объекта, с помощью которых осуще
ствляется воздействие на среду, мы назовем
эффекторами. Измененный отход получает
новые свойства.
При выборе биологических объектов для про
цесса утилизации необходимо оценить степень
адаптационных возможностей к новым услови
ям. В качестве показателей можно использовать
количество выживших особей, время до начала
размножения, скорость переработки субстрата.
Для полной характеристики объектов возможна
оценка информационной природы, к которой
мы предлагаем отнести чувствительность ре
цепторов. Чем выше чувствительность организ
ма, тем быстрее срабатывают адаптационные
механизмы.
Всякий объект характеризуется рядом пара
метров, назовем их «состояния объекта», а также
скоростью изменения их. Так, калифорнийский
гибрид можно характеризовать массой тела, пе
редвижением в субстрате, активностью выброса
копролитов. Эти параметры меняются в процес
се изменения свойств среды. Если мы обозначим
эти параметры в некоторый момент времени, то
состояние объекта можно выразить множеством
S = {pi (t )} ,
где S – состояние объекта;
P – значение параметра;
i – номер параметра;
t – время.
Чем большее количество состояний объекта
мы отметим, тем легче будет регулировать про
цесс утилизации. Кроме того, при использова
нии организмовредуцентов влияние на среду
происходит тем быстрее, чем большее число осо
бей принимает участие в деструкции. Для этого
необходимо рассчитать популяционные характе
ристики I уровня (численность, плотность, рож
даемость, смертность, миграционная активность,
темп роста). Для расчета оптимальной плотности
заселения отходов необходимо внести дополни
191
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
тельные показатели к стандартной формуле
удельной плотности популяции:
Pуд = N / s (v) ,
где Руд – количество особей на единицу площа
ди или объема;
N – общее количество особей;
S(v) – занимаемая популяцией площадь
(объем).
n = Pср S (v) / Wi ,
где n – численность популяции;
S(v) – занимаемая популяцией площадь
(объем);
Wi – показатели витальности среды.
Для ускорения деструкции органосодержащих
отходов плотность популяции – весьма значи
мый фактор. Отход, который мы предполагаем
для биологической утилизации, корректнее на
звать субстратом. Для природных деструкторов
субстрат имеет двойное значение. Это пища и
среда, в которой они обитают, осуществляя все
жизненные функции.
Следует отметить, что для осуществления нуж
ного поведения используемых объектов необхо
димы побудительные причины. Мы их можем
создать в зависимости от подхода. Например,
при утилизации органосодержащих отходов с
помощью вермикультуры к плотности посадки
можно подойти с позиции вермикультивирова
ния, и тогда мы создаем наиболее благоприятные
условия для жизнедеятельности червей красного
калифорнийского гибрида в плане условий для
размножения. А можно подходить с позиции вер
микомпостирования, и тогда основное значение
имеет или скорость переработки субстрата, или
качественный состав вермикомпоста.
Свойства вермикомпоста мы можем задать
путем подбора компонентов, смеси отходов, за
селения определенной плотностью популяции и
созданием определенных дополнительных усло
вий. Отход трансформируется в удобрение с за
данными свойствами.
Создание условий, благоприятных для жизни
биологических объектов, и интегрирование
отхода в почву – основной принцип биологичес
кой утилизации. Такой прагматический подход
к реутилизации отходов возможен при целе
направленном воздействии на обязательные
параметры функционирования системы
«отход – объект – почва – растение».
Моделирование необходимых нам свойств
органических удобрений, произведенных из
отходов, поможет решать производственные
задачи по созданию стабильных агроценозов с
элементами природоулучшающего подхода к
эксплуатации агроэкосистем. Этот подход
направлен на расширенное воспроизводство,
повышение уровня естественного плодородия и
увеличение биологической продуктивности.
Предложенная нами модель реутилизации отхо
дов позволит соблюдать первейшие принципы
при формировании агроландшафтов: устойчи
вость, надежность и резервирование.
Литература
1. Ишин, А.Г. Оптимальные параметры вермикультивирова
ния. [Текст] / А.Г. Ишин, И.Г. Джерих, В.А. Мухин // Меж
дунар. науч.техн. конф. «Биотех95»: Тез.докл. – Днеп
ропетровск. – 1995. – С. 48.
2. Асмаев, М.П. Кинетическая модель процесса получе
ния биогумуса с использованием вермикультуры. [Текст] /
М.П. Асмаев, Д.Л. Пиотровский // Изв.вузов. пищетех
нология. – 1997. – № 2–3. – С. 84.
3. Yanos, K. A Kornyezetbarat (Использование дождевых чер
вей в целях решения природоохранных проблем. Венгрия).
[Text] / Yanos K., Attila R., Yozsef K. // Magyar Mezogazd. –
1989. – T. 44. – N 2. – P. 5.
Реакция микробиальных и растительных
систем на загрязнение окружающей среды
тяжелыми металлами
Р.Ф. Гарипова, к.биол.н., Оренбургский ГАУ
В условиях развития нефтегазовой, химичес
кой промышленности население и биоресурсы
Оренбургской области оказываются под хрони
ческим влиянием многих веществ техногенной
природы. Среди широкого спектра загрязните
лей особое место принадлежит тяжелым метал
лам, которые могут оказывать на живые систе
мы как токсический, так и мутагенный, терато
генный, канцерогенный эффекты. Растворимые
соли тяжелых металлов, попадая в растения, со
здают особый режим биологических процессов.
Обнаруживаются специфические закономерно
сти распределения металлов в различных орга
нах растений, изменяется содержание элементов
питания, нарушается нормальное развитие вне
шних органов, их масса, ослабляется иммуни
тет, повышается уровень наследственной измен
чивости.
По результатам экологотоксикологической
оценки земледельческих полей орошения Орен
бургского газохимического комплекса (ЗПО
ОГХК), проведенной нами, выявлено микроэле
192