Аннотация

Для повышения плодородия почвы и утилизации органических отходов используют биотехнологические процессы (вермитехнология), в которых биологическим объектом являются компостные черви (Eisenia fetida). Для повышения производительности этих биотехнологических процессов используют стандартные приемы – селекционируют популяцию червей, оптимизируют состав питательного субстрата и оптимизируют условия культивирования. Одним из факторов, лимитирующих скорость роста биомассы, может быть низкая скорость поступления питательных веществ в организм червей, что определяется физиологическим строением желудка червей. Предположительно, что субстрат, измельченный до уровня нано- и микрочастиц будет более доступен для пищеварения.

В проведенных экспериментах часть субстрата дезинтегрировали (измельчали) до уровня нано- и микрочастиц. При культивировании червей в таком субстрате биомасса червей возрастала в 2,1 и в 2,7 раза по сравнению с контролем. Полученные результаты могут быть рекомендованы для использования в прикладной биотехнологии червей.

Использование компостных червей (Eisenia fetida) для утилизации органических отходов и получения органических удобрений известно с

30-х годов прошлого века из работ доктор Томас Дж. Баррет [1]. По сути своей, этот комплекс мероприятий выращивания червей представляет собой биотехнологический процесс утилизации отходов и получения двух основных продуктов – биомассу червей и биогумус. Сырьем в этом биотехнологическом процессе являются органические отходы (навоз, пищевые отходы, опавшие листья и пр.), в качестве биологического объекта используют компостных (дождевых) червей (Eisenia fetida), а конечным продуктом является биомасса червей и биогумуса [2].

Производительность и эффективность такой биотехнологии оценивается по скорости потребления субстрата (отходов), скорости синтеза биомассы и получения биогумуса [3]. Все эти скорости определяется целым рядом факторов – популяцией червей (физиологические особенности), состав субстрата, условиями культивирования, скоростью метаболизма червей и пр. Одним из факторов является скорость потребления субстрата червями. Эту скорость может лимитировать физиологические особенности червей (система пищеварения) и ограниченный доступ к субстрату. Последнее предположение логически противоречит объективной реальности, поскольку черви непосредственно живут в субстрате, т.е имеют неограниченный доступ до питания.

В первом приближении система питания червей содержит орган, выполняющий функции желудка, где происходит механическое измельчение органического субстрата посредством твердых выступов в желудке [4].

Рис.1. Рис.2. [4] 

Вследствие изложенного выше можно сделать предположение, что процесс роста биомассы лимитирует скорость поступления питательных веществ в организм червя. Одним из вариантов устранения этого фактора лимитирования может быть добавление в субстрат мелкодисперсной фракции этого субстрата, которая будет усваиваться с повышенной скоростью. Для экспериментальной проверки этого предположения получить из субстрата мелкодисперсную фракцию, содержащую органические микрочастицы и наночастицы [5], и добавлять ее в субстрат.

В качестве методики экспериментов использован классический прием биологических исследований – сравнение «контроля» и «эксперимента» при изменении одного из параметров. Таким параметром была выбрана структура питательного субстрата для культивирования червей.

Субстрат в контроле представляет собой обычный коровий навоз. Для эксперимента часть субстрата (30% по массе) подвергается измельчению до уровня микро и нано частиц. На рис.4 и 5 представлены фотографии субстрата контрольного и части измельченного субстрата, полученные с помощью электронного микроскопа. (Фотографии сделаны на электронном микроскопе в Институте микробиологии и биотехнологии ЛУ, Рига по заказу Лаборатории Бионанофизики).

Рис.4. Рис.5.

Деление органических частиц на «микро» и «нано» весьма условно и зависит от методов дробления, качественная оценка по фотографиям дает примерное распределение в пропорции 60-70% - микрочастицы и 30-40% - наночастицы.

Дезинтеграция (измельчение) исходного субстрата проводилось методом криогенного дробления, при котором механическое дробление субстрата производят после предварительного замораживания в жидком азоте (-195,8 ⁰С). Полученную измельченную массу субстрата возвращают обратно и перемешивают. В контроле субстрат не измельчается. Засев субстрата в обеих емкостях производят одинаковым количеством червей, культивирование производят в одинаковых условиях (рис.3).

В результате культивирования червей в течение 50 дней проводят отделение червей от субстрата и взвешивают. Результаты двух посевов различных исходных партий червей приведены на рис.6 и 7.

Рис.6. Рис.7.

Начальный вес червей в первой партии составил 0,15 ± 0,05  г/шт, во второй – 0,2 ± 0,05 г/шт. В контроле вес червей за 50 дней практически не изменился, а в экспериментальных условиях увеличился в 2,1 раза, во втором – в 2,7 раза.

Обсуждение и анализ результатов экспериментов указывает на то, что при культивировании червей на субстрате, часть которого дезинтегрирована до уровня микро и нано частиц приводит к повышению скорости синтеза биомассы червей в течение 50 дней в 2-3 раза, при этом в контроле биомасса практически не изменилась.

Предположительно, что в контроле система питания червей посредством утилизации органики позволяет получать питательные вещества, необходимые только для поддержания метаболизма. Скорее всего это определяется физиологическим функционированием желудка червей (рис.2). При наличии в субстрате органических микро и нано частиц, которые более доступны для пищеварения, снимается лимитирование потока питательных веществ в организм, что и приводит к росту биомассы.

На основании этого можно сделать практические рекомендации для регламента биотехнологии червей (вермитехнологии) добавление в субстрат дезинтегрированной (измельченной) механически субстанции из этого субстрата.

Вышеизложенный материал позволяет сделать очевидный вывод: - поскольку пища любого биологического объекта проходит трансформацию от привычных размеров до молекулярного уровня, то при этом на какой-то стадии представляет собой наночастицы. Наличие пищевых органических наночастиц частиц приводит к повышению скорости потребления и, как следствие, к повышению скорости синтеза биомассы. Скорее всего, эта закономерность распространяется на все многоклеточные биологические объекты.

Литература

1. История развития вермитехнологий. Энциклопедия по червям и биогумусу

2. Биогумус. Органическое удобрение нового поколения

3. Дождевые черви и производство биогумуса (Краткая биотехнология).

4. Иванов В. Дождевые черви. Как и чем они питаются

5. Органические наночастицы. Википедия