Если биомасса приготавливается только из промышленных отходов, содержащих только С-компонент, ну скажем отходы древесины, бумаги и картона, то здесь обязательно необходимо введение N-содержащего компонента, N-содержащего субстрата. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз, содержащий N-компоненты (в том числе мочевину природного происхождения). Однако, поступающий N-содержащий субстрат в виде животного навоза или даже мочи ни в коем случае не должен привносить в биомассу патогенную микрофлору или паразитическую микрофауну (в том числе наиболее широко распространенную гельминтофауну). Это также обязательное и строго выполняемое условие для правильного регламентированного приготовления биомассы. При этом, внесение N-содержащего субстрата из животного организма кроме азота всегда привносит в исходную биомассу широкую гамму ферментов так необходимых для нормального протекания процессов экологической биотехнологии. При внесении мочи из животного организма в исходную массу вместе с N-компонентом привносятся ферменты такие как амилаза (диастаза) и уропепсин (14). Оба эти фермента необходимы для ускорения протекания процессов разложения растительных отходов в том числе и в приусадебных хозяйствах. При этом компоненты навоза, в том числе и растворенный аммиак, оказывают на целлюлозосодержащие материалы как реагенты способствующие их набуханию и в итоге N-содержащий компонент совместно с гаммой ферментов оказывают на С-содержащие агенты (природные материалы) в общей сложности синергическое воздействие, способствующее ускорению процессов биодеградации и формированию гумифицированной биомассы.
Экспериментально установлено ускорение процесса анаэробного разложения природных дробленых растительных остатков в 2,5-3 раза по времени при введении ферментов амилазы и уропепсина из животного организма по сравнению с процессом анаэробного разложения этих же природных материалов без внесения ферментов.
Итак, далее на другую площадку (на другую карту) для приготовления биомассы из промышленных отходов, содержащих только С-компонент (в основном) выгружается N-содержащий субстрат. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз. Перед приготовлением биомассы производится дробление исходных компонентов до размеров указанных ранее. Далее после проверки всех расчетов и при полном соблюдении соотношения С/N = 25/1-30/1 производится интенсивное перемешивание всех С- и N-содержащих компонентов, находящихся на первой и второй площадках (картах)1. Перемешивание производится бульдозером. Участки, которые нельзя перемешать техническими средствами перемешиваются вручную. Смешение компонентов производится до полной гомогенизации (однородности). Начало перемешивания и приготовление биомассы лучше всего производить или осенью в конце сентября, в октябре (при плюсовой погоде) или в середине апреля (тоже при плюсовой температуре).
Как показали исследования ряда авторов и наши исследования процесс биодеградации протекает по времени весьма различно и в значительной мере зависит от свойств N-субстрата. Нами рассматривались системы с использованием в качестве N-субстрата конского, свиного навоза, навоза кроликов и навоза птицы (кур). Нами были поставлены специальные эксперименты по проверке выше упомянутых основных параметров экологической биотехнологии, указанных в работе (6). Изучено было также влияние вида азотсодержащего компонента (навоза различных домашних животных) на процесс биодеградации и влияние изменения соотношения С/N на ход процесса. Исследовалось влияние размеров кучи с биомассой (длина, высота, ширина). Длина изменялась от 2 до 100 метров; высота от 1 до 4 м; ширина от 2 до 10 м. Экспериментально были подтверждены следующие параметры процесса:
1. Длина ряда биомассы практически не влияет на процесс биодеградации.
2. При низкой высоте (меньше 1,5 м) кучи биомассы происходит нарушение процесса аэрации (т.е. воздушного вентилирования). При низкой высоте (ниже 1,5 м) ряд биомассы быстро подсыхает. Происходит нарушение процесса биодеградации. Процесс затягивается по времени. Увеличивается, так называемый, кажущийся индукционный период ферментативного разложения субстратов. Такое изменение высоты кучи для восстановления нормального хода процессов требует дополнительного водного орошения, особенно в засушливый период и увлажнения массы. Обычный температурный режим биодеградации нарушается (15).
Температура биодеградации в низком компостном ряду не превышает, как правило +50°С. А это может вызвать неполную естественную стерилизацию патогенной микрофлоры (паразитических клеток Salmonella spp., Brucеlla abortas, Ascaris suum) и паразитической микрофауны, например, гельминтофауны. Это нами также было подтверждено экспериментально (15).
3. При большой высоте компостного ряда до 4 м происходит нарушение естественной аэрации и процесс разложения также затягивается, увеличивается содержание промежуточных низкомолекулярных веществ в биомассе, что также является недопустимым.
4. Были подтверждены параметры по ширине ряда.
В итоге были еще раз проверены основные параметры биодеградации биомассы по способу экологической биотехнологии. Кроме того было проведено влияние соотношения С/N, влияние аэрации и размера частиц на протекание всех процессов и на свойства готовой биомассы, на завершенность процессов биодеградации. Почему мы несколько раз обращаем внимание на соотношение C/N? Потому, что это главнейший показатель для всего процесса переработки данной категории природных отходов способом экологической биотехнологии в биомассу. Это соотношение C/N = 25/1-30/1 определяет, во-первых, нормальный ход протекания процесса биодеградации и, во-вторых, предопределяет нормальные показатели получаемой биомассы.
Установлены следующие сроки биодеградации для различных видов N-субстратов (так называемые сроки ферментации, они колеблются весьма существенно). Под сроками ферментации понимается время (срок) от момента смешения С- и N-компонентов2 до времени внесения готовой биомассы в почву. Для следующих видов навоза сроки ферментации таковы:
а) для свиного навоза - 12 месяцев;
б) для конского навоза - 5-6 месяцев;
в) для кроличьего навоза - 5-6 месяцев;
г) для птичьего навоза - 18-20 месяцев;
д) для овечьего и козьего навоза - 6-7 месяцев.
Следует обратить внимание, что во всех изложенных вариантах приготовления биомассы нами не вводились искусственно, дополнительно ферменты. Биодеградация органического материала, как описывалось ранее, всегда сопровождается потерей веса до 40% от общей массы.
Нами экспериментально было показано, что добавление биомассы в любую почву в любых разумных количествах практически безвредно, но если только в ней отсутствуют тяжелые металлы (Cd, Pb, Hg, Sn, Ag, Au, Cr, Zn, Cu, Ni). Тяжелые металлы, по данным Говориной и Виноградовой, обладают канцерогенными свойствами (т.е. вызывают злокачественные новообразования) и мутагенным действием (т.е. вызывающим вырождение и мутацию живого организма) (16). По данным Черных, чем более растворимы тяжелые металлы, тем сильнее их негативное воздействие на биологическую активность почвенного слоя (17). По данным этих авторов, тяжелые металлы снижают ферментативную активность почвы. Эти тяжелые металлы, как выяснилось, образуют очень стабильные комплексные химические соединения, конкурируют с микроэлементами почвы за естественные хелатообразователи. Косвенное влияние тяжелых металлов выражается в нарушении процессов с участием ферментов, приводящих в конечном итоге к их инактивации (17). Особенно опасен Cd, за содержанием и поведением которого нужно осуществлять постоянный контроль в системе фонового экологического мониторинга. Увеличение содержания Zn в почве снижает поступление Cd в растения. С целью иммобилизации Cd в почвах и предотвращения его поступления в высшие растения рекомендуется проводить операцию известкования почвы, лучше всего осенью во влажную почву до наступления заморозков так, чтобы Ca++ максимально мог проникнуть в почвенный слой.
Итак, о втором этапе работы по разработке способа экологической биотехнологии приготовления биомассы излагаются исследования, проведенные по искусственному дополнительному введению ферментов в субстрат, содержащий целлюлозное волокно (для всех видов отходов) СЭД и ХЦ и соответствующее количество N-содержащего компонента в различных комбинациях. В качестве комбинаций ферментов опробовались образцы, предложенные лабораторией углеводов Института биохимии им. А.Н. Баха (А.Н. Клесов, М.Л. Рабинович), о чем упоминалось ранее. Исходя из технико-экономических соображений был выбран комбинированный препарат отечественного производства - целловиридин (содержащий экзоглюкозидазу, эндоглюканазу, целлобиогидролазу, пектиназу). Целловиридин - препарат без наполнителя с активностью по ФБ а пределах 500-2 000 ед/ч. Было установлено оптимальное количество вводимого фермента - 0,001% от веса исходной биомассы.