Вермикомпостирование (от латинского слова vermes – черви) – это процесс компостирования органосодержащих материалов в присутствии определенных видов дождевых (компостных) червей-эпигеиков и других типов червей, которые используются для усиления процесса аэробного преобразования этих материалов (отходов) в конечный продукт – вермикомпост. Вермикомпостирование включают в себя и поддерживает сложную пищевую цепочку, которая приводит к рециклингу органического вещества. Биотические взаимодействия между деструкторами (т. е. между бактериями и грибами) и почвенной фауной включают конкуренцию, мутуализм и хищничество, а быстрые изменения, происходящие как в функциональном разнообразии, так и в качестве субстрата, являются основными свойствами этих систем (Sampedro и Domınguez, 2008). Вермикомпостирование – это сложный биологический и экологический процесс, который включает в себя физические, химические и биологические стадии (ступени) трансформации органического вещества. Процесс вермикомпостирования является весьма динамичным, так как предполагает комплексное взаимодействие дождевых червей с различными видами микроорганизмов. Хотя дождевые черви являются важнейшими организмами, принимающими участие в процессе вермикомпостирования, сложные взаимодействия между дождевыми червями, микроорганизмами, простейшими и другими почвенными беспозвоночными приводят к фрагментации, биологическому окислению и стабилизации органического вещества (Dominguez, 2004).
В настоящее время для вермикомпостов, которые производятся и продаются в некоторых странах мира, включая Российскую Федерацию и страны Евразийского экономического союза (ЕАЭС), известны только два национальных стандарта: мексиканский стандарт NMX-FF-109-SCFI-2007, действующий на территории Мексики с 2008 года, и Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 56004-2014, который действует с 2015 года не только на территории РФ, но и на территории стран ЕАЭС.
Научные исследования являются прочной основой для понимания многих явных преимуществ вермикомпостов перед традиционными термофильными компостами при выращивании растений, особенно, если они используются в качестве компонентов почвогрунтов для тепличных культур или как органические удобрения для самых различных видов сельскохозяйственныхкультур. Вермикомпосты содержат питательные вещества и регуляторы роста и развития растений в биодоступном для растений виде, а также способны поддерживать жизнедеятельность и активность полезных микроорганизмов в почве, подавляя широкий ряд фитозаболеваний и снижая численность насекомых-вредителей, что, в конечном счете, улучшает здоровье и усиливает иммунитет растений (Титов, 2012; Edwards и Arancon, 2004; Edwards и др., 2011).
Вермикомпостирование отличается от компостирования, прежде всего тем, что является мезофильным процессом с использованием почвенных микроорганизмов и компостных червей, которые активны в диапазоне температур 10-28° C, протекает быстрее и эффективнее, чем процесс термофильного компостирования. Так как при вермикомпостировании органосодержащие материалы проходят через желудочно-кишечный тракт компостных червей, то неизвестно какая часть предназначенного для переработки вещества подвергается поглощению дождевыми червями, перевариванию, модификации и выделению в окружающий субстрат в виде копролитов самих компостных червей. И получается, что только некоторая часть органосодержащих материалов вермикомпостирующей системы подвергается непосредственно превращению в копролитную массу компостных червей, которая чрезвычайно изобилует микробными активностями, регуляторами роста растений, а также усилена репеллентными свойствами.
Копролиты дождевых червей являются наиболее ценным продуктом процесса вермикомпостирования. Но никто не знает, каков процент собственно копролитов содержится в конечном продукте вермикомпостирования. Более того, установлено, что не только копролиты, но и мочевые выделения, слизь и полостная жидкость дождевых червей обладают универсальным биостимулирующим действием (Гаврилов, 1963; Gavrilov, 1963).
Эдвардс с соавторами (Edwards и др., 2011) рекомендуют использовать термин вермикомпостирование только в тех случаях, когда поглощение кормового субстрата, измельчение, фрагментация и перемешивание компостными червями и микроорганизмами является преобладающим процессом, приводящим к стабилизации и гумификации органических материалов. Следуя этому определению, термины вермикомпост и копролит дождевого червя (или вермикопролит) должны быть использованы последовательно и только для описания конечных продуктов процесса вермикомпостирования. Это обеспечивало бы более строгий подход к определению названия тех коммерческих продуктов, которые будут производиться и использоваться в больших объёмах. Российские производители для названия своей продукции, как правило, используют два термина: вермикомпост и биогумус. Наиболее широко известен среди производителей и потребителей термин «биогумус». В русскоязычной научной литературе также используются такие термины, как вермигумус и копролит. Для всех вышеуказанных русских названий конечного продукта вермикомпостирования имеются английские эквиваленты, кроме слова «биогумус». Если производитель данного продукта на этикетке с описанием на английском языке укажет, что это «biohumus», а иногда и «biogumus», то англоязычные потребители не поймут, что это такое. Эти определения особенно важны в ситуациях, когда одни и те же правила и стандарты применяются к двум совершенно различным процессам: термофильное компостирование и вермикомпостирование. В таких ситуациях уточнение различий между этими двумя процессамиочень важно. Известны случаи, когда под видом вермикомпоста или биогумуса некоторые российские компании фасуют и продают компост, и торф или их смесь.
Вермикомпост – это продукт, получаемый путем ускоренной биодеструкции органосодержащих отходов при взаимодействии дождевых (компостных) червей и почвенных микроорганизмов в результате процессов биологического окисления при мезофильных температурных режимах (10-28° C). При этом получаются полностью стабилизированные органические удобрения с низким соотношением углерода к азоту (C:N) около 15:1.Вермикомпосты обладают высокой и разнообразной микробиологической и ферментативной активностью, отличной физической структурой, высокой влагоёмкостью. Они содержат питательные макро- и микроэлементы в доступных для растений формах, фитогормоны и гуминовые вещества, действующие как регуляторы роста растений, а также, – и это очень важно – антимикробные соединения и репелленты, что позволяет контролировать численность фитопатогенов и насекомых-вредителей в условиях закрытого и открытого грунтов (Титов, 2012; Edwards и Arancon, 2004; Edwards и др., 2011).
Вермикомпосты содержат в себе микроэлементы и ультрамикроэлементы, а также гуминовые вещества, ряд биологически активных соединений – продуктов жизнедеятельности микробиоценоза и богатую по видовому составу микрофлору полезных почвенных микроорганизмов-антагонистов для самых различных патогенов, в частности, фитопатогенов. Поэтому, вермикомпост правильнее было бы называть комплексным микробиологическим высокогумусированным органическим удобрением (Титов, 2013).
Не существует единого показателя, который наилучшим образом характеризовал бы степень зрелости и стабильность готового вермикомпоста. Традиционные методы, используемые для оценки качества, стабильности и зрелости вермикомпоста, включают исследование изменений его физических, химических и биологических характеристик (Singha и др., 2024).
Физические методы являются самыми основными и фундаментальными этапами определения зрелости и стабильности вермикомпоста. С морфологической точки зрения визуально и органолептически сам вермикомпост представляет собой темноокрашенную, сыпучую и гомогенную торфоподобную субстанцию с приятным ароматом лесной гумусной почвы.
Объёмная или насыпная плотность – это важное физическое качество вермикомпостов, которое определяется стандартным методом взвешивания. Если вес одного литра составляет от 550 до 750 граммов, – это означает, что объемная плотность 55-75% (Edwards и др., 2011). По мексиканскому стандарту насыпная плотность вермикомпостов может иметь более широкий диапазон от 40% до 90% (NMX-FF-109-SCFI-2007).
При сепарировании вермикомпостов с использованием сит с яейками различного диаметра можно получить различные по размеру частиц фракции: до 2 мм, 3-5 мм и свыше 5 мм. По мексиканскому стандарту NMX-FF-109-SCFI-2007 они именуются как экстра, 1-й и 2-й классы, соответственно. В Национальном стандарте РФ указывается только то, что вермикомпост должен иметь размер частиц не более 5 мм (ГОСТ Р 56004-2014). Для тех, кто использует вермикомпосты, – это должно быть важным при выборе и существенным при определении класса вермикомпоста в зависимости от размера частиц.
По мексиканскому стандарту NMX-FF-109-SCFI-2007 вермикомпосты должны иметь влажность 20-40%. В российском Национальном стандарте указывается, что вермикомпост должен иметь массовую долю сухого вещества не менее 50% (ГОСТ Р 56004-2014).
Водоудерживающая способность материала определяется как количество воды, которое задерживается после дренирования влажного материала (обычно в течение 12-24 часов), которая фактически состоит из двух видов воды:
- доступная вода, которую растения могут использовать; и
- недоступная вода, которая сильно удерживается почвенными частицами.
Содержание как общей, так и доступной водоудерживающей ёмкости вермикомпостов может быть особенно важным для пользователей вермикомпостов при выращивании растений в горшечной культуре (Edwards и др., 2011).Таким образом, эти физические методы являются ключевыми для оценки зрелости вермикомпоста и определения его качества. Содержание органического вещества тесно связано с активностью дождевых червей и степенью минерализации готового вермикомпоста. По составу и свойствам органического вещества вермикомпосты близки к высокоплодородным чернозёмам или чернозёмно-луговым почвам. От чернозёма вермикомпост отличается более высоким содержанием углерода, но пониженным содержанием азота. Вермикомпостирование в отличие от компостирования представляет собой более привлекательный способ, поскольку материалы, обогащенные гумифицированными соединениями, могут образовываться в более короткие сроки. Одним из важных факторов, влияющих на качество вермикомпостов и успешное их использование в сельскохозяйственных целях, является их стабильность и зрелость, которая зависит от количества растворимой в воде фракции органического углерода (Сорг), присутствующей в конечном продукте. Считается, что чем ниже содержание растворимого органического углерода (Сорг), тем стабильнее конечный продукт вермикомпостирования. Поэтому этот показатель может быть важным индикатором стабильности вермикомпоста. Растворимая в воде фракция органического углерода (Сорг) незрелого вермикомпоста содержит как гуминовые, так и негуминовые вещества и отражает степень гумификации органического вещества и зрелости вермикомпоста. Следовательно, определение концентрации растворимого органического углерода (Сорг) и изучение его свойств может быть полезным методом для оценки зрелости вермикомпоста (Sen и Mahapatra, 2009). Переработанная компостными червями органическая масса по сравнению с традиционным компостированием повышает коэффициент гумификации в 1,7-2,5 раза. После того как копролиты выделяются из организма дождевых червей, происходят дальнейшие процессы гумификации и созревания. Длительность этогопериодадо шести месяцев. При этом увеличивается содержание гумифицированных соединений и достигается дополнительная стабилизация органического вещества (Fornes и др., 2012). Гуминовые вещества вермикомпостов при использовании в качестве удобрений играют важную протекторную (защитную) роль. Они прочно связывают различные поллютанты: остатки пестицидов, оксиды азота и серы, тяжелые металлы, радионуклиды и предохраняют окружающую среду от загрязнения.
Согласно мексиканскому стандарту NMX-FF-109-SCFI-2007, вермикомпосты должны иметь значение рН от 5,5 до 8,5, а согласно Национальному стандарту РФ – значение рН от 6,0 до 8,0 (ГОСТ Р 56004-2014).
В вермикомпостах содержание общего азота (N) может варьироваться в широком диапазоне от 1,0% до 4,0% и выше. Этот показатель является важным критерием для определения качества и ценности вермикомпоста, как источника питательных веществ. Однако, не весь этот азот является пригодным для роста растения. Важно определить специфические концентрации неорганических форм азота (NH4+, NO3−), а также содержание органического азота. Как правило, для вермикомпостов соотношение углерода к азоту составляет 15:1, но не должно превышать 20:1.
В российском Национальном стандарте на вермикомпост суммарное содержание NPK для вермикомпостов на основе подстилочного и бесподстилочного навозов крупного рогатого скота, свиней, лошадей и птичьего помёта должно составлять соответственно не менее 2,3; 1,9; 2,7 и 4,5% на сухое вещество (ГОСТ Р 56004-2014). Однако, нельзя главной характеристикой для вермикомпостов считать содержание общего азота, фосфора и калия (NPK), потому что питательные свойства и качество вермикомпостов совершенно не зависят от этих показателей и поэтому бессмысленно по этим агрохимическим показателям сравнивать их с минеральными удобрениями (Терещенко, 2004). Общее содержание кальция (Ca), магния (Mg), серы (S) и бора (B) должно также быть определено в тех случаях, когда питательная ценность вермикомпостов важна. Большинство вермикомпостов, произведенных на основе пищевых отходов, бумажных отходов, навоза животных или растительных отходов, вряд ли будут контаминированы тяжёлыми металлами. Наиболее распространенными тяжелыми металлами, которые могут содержаться в вермикомпостах, являются свинец (Pb), ртуть (Hg), кадмий (Cd), хром (Cr), молибден (Мо) и цинк (Zn), в случаях, когда в качестве исходного сырья для вермикомпостирования используются осадки сточных вод.
В термофильных компостах большинство микроорганизмов и представителей фауны редуцентов уничтожается во время высокотемпературной фазы. Хотя многие микроорганизмы могут повторно колонизировать компосты во время фазы их созревания при более низкой температуре, скорость повторной колонизации может изменяться. В процессе вермикомпостирования в вермисистеме должны поддерживаться умеренные (мезофильные) температуры, чтобы дождевые черви были активными и не мигрировали из субстрата обитания. Численность популяций некоторых чувствительных к температуре организмов может существенно снижаться или даже элиминироваться во время вермикомпостирования. Однако, в вермисистеме сохраняется и поддерживается активное и сложное сообщество организмов-редуцентов, в котором кроме дождевых червей обитают энхитреиды, нематоды, ногохвостки, клещи, простейшие и неисчислимое множество микроорганизмов. Известно, что в вермикомпостах и термофильных компостах микробные сообщества существенно различаются между собой и качественно, и количественно. Связь между стабильностью вермикомпоста и биоразнообразием микроорганизмов до конца не изучена, хотя средние и высокие уровни их биоразнообразия могут указывать на хорошее качество вермикомпоста. Таким образом, определение микробного биоразнообразия вермикомпоста даёт ценную информацию об изменениях в структуре сообщества и видовом богатстве в ответ на изменения физико-химических свойств и, наконец, качества конечного продукта. Поэтому микробиологическое биоразнообразие вермикомпоста можно использовать в качестве показателя качества и стабильности. Микробные взаимодействия на уровне сообщества сложны и зависят от взаимодействия различных видов микроорганизмов. Количественные и качественные изменения, происходящие в составе микробиологических сообществ вермикомпоста, могут быть хорошим показателем изменений качества вермикомпоста. Дождевые черви при вермикомпостировании способствуют изменениям в микробных сообществах в сторону более специализированного сообщества. В биологическом аспекте вермикомпосты представляют собой равновесные саморегулирующиеся системы, управляемые сложным консорциумом микроорганизмов. Ризобактерии колонизируют корневую систему растений и осуществляют функции контроля ризосферы растений, благодаря продуцированию широкого спектра стимуляторов роста, активно участвуют во многих ключевых процессах, таких как биологический контроль фитопатогенов, циклы питания растений и выживаемость проростков (Лабутова, 2009). Результаты многих научных исследований показали, что в копролитах дождевых червей доминируют грамотрицательные аэробные бактерии рода Pseudomonas. В несколько меньших количествах обнаружено присутствие бактерий представителей родов Flavobacterium, Streptomyces, Bacillus, а также Cellumonas, Clostridium и Acetobacterium (Терещенко, 2003). Доминирующим видом бактерий в вермикомпостах являются бактерии вида Pseudomonas putida, которые обладают ростстимулирующими и фосфатмобилизующими свойствамии (Гаценко и др., 2010; 2011). Считается, что к числу наиболее информативных показателей качества вермикомпостов и вермикомпостсодержащих грунтов могут быть отнесены такие показатели, как присутствие бактерий рода Azotobacter, высокая (не менее 100 000 клеток/г) численность нитрификаторов; значительная (не менее 20%) доля в составе микробного сообщества спорообразующих форм бактерий, высокая (не менее 100 000-200 000 КОЕ/г) численность сахаролитических грибов. Упомянутые микробиологические индикаторы качества вермикомпостов и вермикомпостсодержащих грунтов можно использовать для защиты прав потребителей и коммерческих интересов добросовестных производителей качественной биотехнологичной продукции. Перечисленные показатели можно использовать для разработки методики оценки качества вермикомпостов и вермикомпостсодержащих почвогрунтов (Терещенко и др., 2012).
Для получения высококачественного вермикомпоста необходимо осуществлять постоянный контроль за важнейшими физико-химическими и биологическими параметрами на каждом из основных этапов компостирования и вермикомпостирования.Так А.Б.Бубина изучала влияние длительности периода вермикультивирования на уровень биологической активности получаемых вермикомпостов. Она установила, что ростостимулирующая активность вермикомпостов увеличивалась в период вермикомпостирования с 4 до 8 недель, а затем снижалась к 12-й неделе. Было показано, что ростостимулирующая активность вермикомпоста была связана с присутствием стимуляторов роста растений различной природы (органические кислоты, аминокислоты и фульвокислоты), синтезируемые микрофлорой вермикомпоста. По мере созревания вермикомпоста наблюдалось увеличение фунгистатической активности по отношению гельминтоспориоза у растений, коррелирующее с максимальным присутствием бактерий рода Pseudomonas в период 6-8 недель вермикомпостирования (Бубина, 2005). Автор считает, что длительность вермикультивирования является одним из ключевых факторов, определяющих биологическую активность вермикомпостов.Зрелость и стабильность вермикомпостов связана с относительным увеличением концентрации гуминовых кислот и их физиологической активности. Так Агиар и соавторы (Aguiar и др., 2013) показали, что наибольшая физиологическая и ростовая активности наблюдалась у вермикомпостов после 60-ти суток вермикомпостирования органических материалов, что было связано с присутствием биоактивных молекул гуминовых кислот.
Для эффективного использования вермикомпостов в агробиологии важно признать, что их качество связано с длительностью их хранения. Необходимо отметить, что некоторые российские производители вермикомпостов, как правило, указывают на этикетках своей продукции срок хранения 1 год, другие 2 года, а третьи вообще сообщают о бессрочном хранении. Однозначно, все эти сроки просто «взяты с потолка».Из работ, посвященных изучению изменений микробиологических свойств в готовом вермикомпосте, стоит упомянуть монографию Н.Н.Терещенко «Эколого-микробиологические аспекты вермикомпостирования». Хранение вермикомпоста во влажном состоянии при комнатной температуре в течение 2-х месяцев приводило к существенным изменениям в микробных популяциях. Практически исчезали актиномицеты, сокращалась численность всех физиологических групп бактерий за исключением утилизаторов азотсодержащих органических веществ. Результаты исследования показывают, что предпочтительнее содержание вермикомпоста во влажном состоянии при температуре 0-4° С, так как при этих уловиях падение биологической активности в микробном сообществе минимально (Терещенко, 2003).Так Клоклахарн и Иваи изучали влияние разных факторов на условия хранения вермикомпостов и показали, что в течение трёх месяцев его биологические и физико-химические параметры существенно не изменялись (Kleawklaharn и Iwai, 2014). Таким образом, можно считать, что в течение 2-3 месяцев хранения вермикомпоста при оптимальных условиях не происходит существенных изменений качества этого продукта. Потенциал вермикультуры в качестве способа уменьшения численности популяций патогенных микроорганизмов был доказан в лабораторных условиях Митчелом (Mitchell, 1978). В процессе вермикомпостирования большинство патогенов человека погибает в результате действия пищеварительных ферментов дождевых червей и почвенной микрофлоры. Истман экспериментально показал, что дождевые черви могут уменьшать популяции патогенных микроорганизмов всего лишь через 144 часа. Причем, достижение нормативных значений содержания фекальных колиформ происходило через 24 часа (98,7%), сальмонелл – через 72 часа (99,9%), энтеровирусов – через 72 часа (98,82%), яиц гельминтов – через 144 часа (98,87%). Эти результаты свидетельствует об эффективности вермикомпостирования в снижении уровней патогенов человека при стабилизации осадков сточных вод и других органосодержащих отходов (Eastman, 1999).
Согласно российскому Национальному стандарту на вермикомпост ГОСТ Р 56004-2014 не допускается наличие:
- патогенных и болезнетворных микроорганизмов, в том числе энтеробактерий (патогенных серовариантов кишечной палочки, сальмонелл, протеи), энтерококков (стафилококков, клостридий, бацилл) и энтеровирусов;
- жизнеспособных яиц и личинок гельминтов, в том числе нематод (аскаридат, трихоцефалов, стронгилят, стронгилоидов), трематод и цестод;
- цист кишечных патогенных простейших;
- личинок и куколок синантропных мух; и
- жизнеспособных семян сорной растительности.
При оценке качества вермикомпостов возникает вопрос: как и по каким критериям оценивать вермикомпосты? Очень высокая вариабельность физико-химических и биологических характеристик как различных неоднородных источников органосодержащего сырья, используемого в процессе вермикомпостирования, так и самого конечного продукта вермикомпостирования, крайне затрудняют оценку качества и зрелости вермикомпостов. Эти факторы диктуют научному сообществу запрос на дальнейшее продолжение исследований с использованием современных методов оценки качества вермикомпостов, которые позволят классифицировать вермикомпосты, полученные на основе различных источников органосодержащего сырья и используемой технологии вермикомпостирования. Национальный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р 56004-2014) рекомендует использовать лишь некоторые из описанных показателей: влажность, значение рН, содержание органического вещества, содержание NPK, инородных включений. Основной упор сделан на соблюдении производителями вермикомпостов токсикологических, ветеринарно-санитарных и гигиенических показателей для вермикомпостов, что должно обеспечить безопасность использования вермикомпостов в сельском хозяйстве. На практике используется самый минимальный набор физико-химических и биологических характеристик вермикомпостов, позволяющих производителям вермикомпостов легитимизировать производство и продажу вермикомпостов. Все это не имеет никакого отношения к решению проблемы качества и идентификации вермикомпостов. Прежде всего, нельзя главной характеристикой для вермикомпостов считать содержание общего азота, фосфора и калия (NPK), потому что питательные свойства и качество вермикомпостов совершенно не зависят от этих показателей и поэтому бессмысленно по этим агрохимическим показателям сравнивать их с минеральными удобрениями. Только некоторые производители вермикомпостов указывают на содержание гуминовых веществ в вермикомпосте, которые являются важнейшими природными соединениями, влияющие на ростстимулирующие качества вермикомпостов. Вермикомпосты являются очень сложной многокомпонентной системой, содержащей в себе гуминовые вещества, макроэлементы, микроэлементы, физиологически активные продукты метаболизма почвенных микроорганизмов и дождевых червей (белки, ферменты, витамины, пептиды, аминокислоты, жирные кислоты, углеводы, фитогормоны и природные антибиотики), а также живые почвенные микроорганизмы.
Фотографии: Смирнов К.А.
Иллюстрации: Смирнова К. П.