Биотестирование зоокомпоста культивирования личинок Hermetia illucens

Полный текст

Введение Проблема переработки отходов в связи с развитием масштабов сельскохозяйственного производства становится все более актуальной. Государственная политика в России в области охраны окружающей среды нацелена на сохранение здоровья населения. Для реализации этого проводится работа прежде всего в области обращения с отходами, по направлениям, связанным с максимальным использованием исходных сырья и материалов для получения продуктов, предотвращением образования отходов, сокращением их образования и снижением их опасности, а также обработкой, утилизацией и обезвреживанием отходов [1]. Для решения поставленных необходимо развитие малоотходных и безотходных технологий, представляющих собой такие методы производства продукции, при которых все сырье и энергия используются наиболее рационально и комплексно в производственном цикле, и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее состояния [2]. Такой регионально-межотраслевой подход не является новым [3; 4], однако он до сих пор не распространен на самом производстве, чаще всего не хватает детального комплексного изучения свойств отхода и возможности управления ими для подбора наилучшей технологии его утилизации. Подобные безотходные технологии важно внедрять на вновь открываемых производствах, для чего необходимо изучение разнообразных свойств отхода, установление его класса опасности и степени влияния на окружающую среду. В 2021 г. в Губкине (Белгородская область) планируется строительство предприятия по производству кормового белка из личинок мухи черная львинка. Проектная мощность на начальном этапе прогнозируется в 300 т муки в месяц, при этом побочным продуктом производства белковой добавки станет зоокомпост личинок. В Российской Федерации производство альтернативного белка из насекомых пока не столь развито, как за рубежом, но уже получены первые партии готовой продукции, которую планируют использовать при кормлении рыбы и свиней [5; 6]. Чаще всего в качестве источника кормового белка компании используют насекомых как наиболее ценных производителей белка, жиров и других необходимых добавок для кормопроизводства [7]. Основным отходом, получаемым в технологическом производстве белка с помощью личинок мухи черная львинка, является так называемый зоокомпост. Этот отход биогенного происхождения содержит в своем составе чрезвычайно большое количество веществ, в основном органического происхождения (целлюлоза, аминокислоты, жирные кислоты и др.), кроме того, в его состав входят и неорганические соединения (соли аммония, нитраты и др.). Для определения класса опасности подобного вида отходов весьма трудно использовать расчетные методы, поэтому основной путь установления имеющейся потенциальной опасности - проведение экотоксикологического исследования с помощью живых организмов и последующего наблюдения за ними. Цель исследования - провести эколого-токсикологическую оценку отхода, образующегося в результате получения белка с помощью выращивания личинок мухи Hermetia illucens, а именно - определить класс опасности вышеупомянутого отхода (зоокомпоста) методами биотестирования. Биотестирование является экспериментальным методом, позволяющим установить степень возможного вредного воздействия отходов на окружающую природную среду при непосредственном или опосредованном воздействии на нее [8]. Данный метод является обязательным для отнесения отходов к практически неопасным для окружающей среды. Экспериментальное определение класса опасности отходов заключается в лабораторном исследовании токсичности отходов на организмах, наиболее чувствительных к воздействию определенных токсикантов. Для этого используют не менее двух живых организмов, относящихся к различным систематическим группам. Установление класса опасности отходов осуществляется в соответствии с законодательством РФ [9]. Материалы и методы Объект исследования - зоокомпост, который является отходом производства кормового белка с помощью мухи Hermetia illucens. Биотестирование водных вытяжек отходов выполнялось в ходе кратковременных экспериментов, которые проводили на пяти тест-ораганизмах: дафниях, хлорелле и трех злаковых растениях - овсе, пшенице и ячмене. Экспериментальное исследование проводилось на большем количестве видов живых организмов, что требуется согласно методике [9], с включением в состав тест-организмов растения, поскольку предполагается в дальнейшем использовать исследуемый отход в качестве удобрения или составной части комплексного удобрения. В соответствии с общепринятыми методиками класс опасности устанавливали по коэффициенту разведения водной вытяжки, при которой не выявлено вредного влияния на тест-объекты. Результаты и их обсуждение Проведение эксперимента на дафниях. Для исследований токсичности зоокомпоста использовали вид низших ракообразных Daphnia magna Str. Дафнии являются основными тест-организмами, которые используются при установлении токсичности различных объектов в окружающей среде. Экспериментальные исследования с их участием, проводимые в странах Европы и США, имеют практически одинаковый методический подход. Выращивание культуры дафний производили согласно методике [10]. Эксперименты на дафниях требуют однородности популяции особей, поэтому необходимо выполнять все условия их разведения и содержания, для этого использовали климатостат В3. В качестве культиваторов применяли кристаллизаторы объемом 2-5 дм3, которые наполняли на 3/4 объема культивационной водой. Плотность содержания особей составляла до 25 шт/дм3. Чувствительность дафний контролировали по бихромату калия. Длительность проведения эксперимента - 48 ч. Основным показателем токсичности отходов в остром эксперименте на дафниях является коэффициент разбавления их водных вытяжек, вызывающих гибель не более 10 % дафний за 48 ч наблюдения. Рассчитывали процент погибших в результате проведенных экспериментов дафний (А, %) по сравнению с контролем (табл. 1). Результаты проведения эксперимента на Daphnia magna. В соответствии с методикой [10] были приготовлены серии разбавлений в трех параллелях. Вытяжка зоокомпоста с кратностью разведения 1:10 имела значение pH = 7,48, что соответствует требованию оптимальных условия для развития дафний. В табл. 1 представлены данные, полученные после 48 ч эксперимента. В результате проведенных экспериментов установлена кратность разведения вытяжек зоокомпоста (равна 10), при которых не наблюдается гибель дафний, следовательно, исследуемый отход можно отнести к 4-му классу опасности. Таблица 1 Результаты биотестирования водной вытяжки зоокомпоста на тест-объекте Daphnia magna Straus Объект Кратность разведения пробы Количество выживших дафний Показатель токсичности δ, % А, % Класс опасности Х1 Х2 Х3 Хср Зоокомпост 1 3 4 4 3,7 63 37 IV 10 10 10 10 10 0 0 Контроль 10 10 10 10 0 0 Table 1 Results of biotesting of water zoocompost extract on the test object Daphnia magna Straus Object Sample dilution factor Number of live Daphnia magna Toxicity index δ, % А, % Hazard class Х1 Х2 Х3 Хср Zoocompost 1 3 4 4 3.7 63 37 IV 10 10 10 10 10 0 0 Control 10 10 10 10 0 0 Проведение эксперимента на зеленых одноклеточных водорослях. В качестве другого объекта биотестирования зоокомпоста использовали культуру Chlorella vulgaris Beijer. Методика основана на регистрации изменения численности водоросли в различных вытяжках отхода по сравнению с контрольной средой, содержащей питательные вещества для их роста (среда Тамия) [11]. Численность одноклеточных водорослей учитывают с помощью прямого счета водорослей под микроскопом или определения оптической плотности (флуоресценции) водорослей. Критерием токсичности вытяжек отхода в данном эксперименте является снижение на 20 % и более величины оптической плотности или их увеличение на 30 % и более в течение 22 ч в растворах по сравнению с контролем. Выращивание культуры водоросли производили в культиваторе КВ-05. Водоросли выращивали на питательной среде Тамия, для ее приготовления использовали дистиллированную воду и растворы солей. В качестве тест-организма использовали штамм одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris Beijer. Для проведения токсикологического эксперимента использовали культуру водорослей хлореллы, находящуюся в экспоненциальной стадии роста. В этом случае концентрация клеток должна быть около 3×104 кл/мл, кроме того, необходимо, чтобы не менее 90 % клеток было живыми (проверка осуществлялась окраской витальными красителями). Периодически, так же как и в случае культуры дафний, проверяли чувствительность культуры хлореллы к бихромату калия. Результаты проведения эксперимента на Chlorella vulgaris. В табл. 2 представлены данные проведенных экспериментов на зеленых одноклеточных водорослях после 22 ч наблюдения. В результате установлено, что при кратности разведения вытяжки отхода, равной 10, суспензии водорослей имеют такую же оптическую плотность, что и в случае контроля. Следовательно, в соответствии с методикой установления класса опасности отхода [9], зоокомпост, как и в случае с экспериментами на дафниях, относится к 4-му классу опасности - малоопасным отходам. Таблица 2 Результаты проведенных экспериментов на водных вытяжках зоокомпоста на Chlorella vulgaris Объект Кратность разведения пробы Значение оптической плотности I, % Класс опасности D1 D2 D3 D4 Dср Зоокомпост 1 0,071 0,068 0,069 0,068 0,069 46,9 IV 10 0,128 0,122 0,126 0,125 0,125 3,7 Контроль 0,130 0,131 0,130 0,129 0,130 0 Table 2 Results of biotesting of water zoocompоst extract on the test object Chlorella vulgaris Object Sample dilution factor Optical density value I, % Hazard class D1 D2 D3 D4 Dср Zoocompost 1 0.071 0.068 0.069 0.068 0.069 46.9 IV 10 0.128 0.122 0.126 0.125 0.125 3.7 Control 0.130 0.131 0.130 0.129 0.130 0 Проведение эксперимента на растениях. Экспериментальное исследование проводили на трех видах злаковых растений, поскольку в дальнейшем планируется использовать исследуемый отход в качестве удобрительного материала. Фитотестирование проводилось на семенах овса, пшеницы и ячменя, тест-функцией в данных экспериментах является длина корней в вытяжках отхода по сравнению с контролем (водой) [8]. Считали, что имеется токсический эффект действия вытяжек отхода, если наблюдали эффект угнетения более 20 %. Результаты проведения эксперимента на растениях. Результаты биотестирования вытяжки зоокомпоста приведены в табл. 3, а внешний вид растений на рис. 1-4. В соответствии с методикой также рассчитывали эффект воздействия водных вытяжек отхода на семена вышеназванных растений. Результаты расчетов приведены в табл. 4. В ходе проведения экспериментов было установлено, что вытяжки исследуемого отхода не оказывают вредного воздействия во всем исследованном интервале разбавлений. Наоборот, на Avena sativa (овес посевной) вытяжки отхода с коэффициентом разведения, равным 10-100, оказывают стимулирующее действие - до 70 %, на Нordeum sativum (ячмень посевной) - до 53 %, лишь для Triticum vulgare (пшеница обыкновенная) стимулирующий эффект не обнаружен, но не наблюдали и эффект угнетения роста. Следовательно, данный вид зоокомпоста, по крайней мере, относится к малоопасным отходам для окружающей среды. Следует отметить, что на корни овса водная вытяжка с разведением 1/10 оказывает стимулирующее действие на 54 %, а в случае 1/100 на 69 %. Вытяжка зоокомпоста с разведением 1/100 также приводит к увеличению длины корней Нordeum sativum, эффект в этом случае равен 53 %. Обнаружено стимулирующее воздействие вытяжек отхода на длину проростков (рис. 1-4). Данные эксперимента по влиянию вытяжек зоокомпоста на длину растений не приведены, поскольку по методике проведения эксперимента это не требуется. Таблица 3 Результаты биотестирования водных вытяжек зоокомпоста с помощью злаковых растений Коэффициент разведения водной вытяжки отхода Длина корней растений, см Avena sativa (овес) Triticum vulgare (пшеница) Нordeum sativum (ячмень) Контроль 6,5 ± 0,2 9,5 ± 0,2 8,5 ± 0,2 1:1 15,4 ± 0,4 9 ± 0,4 10 ± 0,6 1:10 10 ± 0,5 8 ± 0,6 9 ± 0,4 1:100 11 ± 0,5 10 ± 0,5 13 ± 0,9 Table 3 Results of biotesting of water extracts of zoocompost with the help of cereal plants Sample dilution factor of water extract of zoocompost Plant root lengths, cm Avena sativa (oats) Triticum vulgare (wheat) Нordeum sativum (barley) Control 6.5 ± 0.2 9.5 ± 0.2 8.5 ± 0.2 1:1 15.4 ± 0.4 9 ± 0.4 10 ± 0.6 1:10 10 ± 0.5 8 ± 0.6 9 ± 0.4 1:100 11 ± 0.5 10 ± 0.5 13 ± 0.9 а б в Рис. 1. Злаковые растения, контроль: а - Avena sativa; б - Triticum vulgare; в - Нordeum sativum Figure 1. Cereal plants, control: а - Avena sativa; б - Triticum vulgare; в - Нordeum sativum а б в Рис. 2. Avena sativa, коэффициент разведения водной вытяжки: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 Figure 2. Avena sativa, sample dilution factor of water extract: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 а б в Рис. 3. Triticum vulgare, коэффициент разведения водной вытяжки: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 Figure 3. Triticum vulgare, sample dilution factor of water extract: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 а б в Рис. 4. Нordeum sativum, коэффициент разведения водной вытяжки: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 Figure 4. Нordeum sativum, sample dilution factor of water extract: а - 1:1; б - 1:10; в - 1:100 Таблица 4 Эффект воздействия водных вытяжек зоокомпоста на семена растений Коэффициент разведения водной вытяжки отхода Эффект воздействия, % Avena sativa (овес) Triticum vulgare (пшеница) Нordeum sativum (ячмень) 1:1 +15 -5 +18 1:10 +54 -16 +6 1:100 +69 +5 +53 Table 4 Effect of water extracts of the zoo compost on seeds of the plants Sample dilution factor of water extract of zoocompost Effect, % Avena sativa (oats) Triticum vulgare (wheat) Нordeum sativum (barley) 1:1 +15 -5 +18 1:10 +54 -16 +6 1:100 +69 +5 +53 Отметим, что нахождение в окружающей среде подобного рода отходов все же может быть опасным, поскольку имеется вероятность загрязнения солями аммония и нитратами. В случае попадания в водоемы эти вещества вызовут бурный рост водорослей, что ухудшит качество воды, а также изменит состав популяций гидробионтов, и в итоге приведет к изменению экосистемы, нанеся существенный ущерб окружающей среде. Заключение В результате проведенной экспериментальной работы по биотестированию можно сделать вывод, что к зоокомпосту - отходу культивирования личинок мухи черная львинка (Hermetia illucens) более чувствительны Daphnia magna и Chlorella vulgaris. На все исследованные растения вытяжка зоокомпоста не оказывает угнетающего эффекта, а для Avena sativa и Нordeum sativum, наоборот, стимулирует рост. Хранение отхода культивирования личинок мухи необходимо осуществлять в контролируемых условиях. В дальнейшем необходимо провести работу по утилизации данного вида отхода. Эколого-токсикологическое исследование подтвердило, что зоокомпост культивирования личинок мухи черная львинка относится к малоопасным отходам для окружающей среды и допустим для использования в качестве удобрительного материала в растениеводстве. Применение зоокомпоста как удобрения может сделать процесс получения белка с помощью личинок Hermetia illucens безотходным и тем самым наиболее экономно расходовать природные ресурсы и наносить наименьший ущерб окружающей среде.

Об авторах

Елена Николаевна Гончарова

Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова

Автор, ответственный за переписку.
Email: eleng59@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-2442-1742

кандидат биологических наук, доцент, кафедра промышленной экологии

Российская Федерация, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Иван Романович Курзенев

Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова

Email: spandwaryandex@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2975-8152

магистрант, кафедра промышленной экологии

Российская Федерация, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Марина Ивановна Василенко

Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова

Email: vasilemn@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8203-8325

кандидат биологических наук, доцент, кафедра промышленной экологии

Российская Федерация, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Евгений Александрович Пендюрин

Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова

Email: pendyrinea@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4826-3654

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, кафедра промышленной экологии

Российская Федерация, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Список литературы