Построение модели систем переработки отходов органического происхождения в Саратовском регионе

Шевченко Наталия Ивановна
Гусева Юлия Анатольевна

Саратовский государственный аграрный университет имени. Н.И. Вавилова, г. Саратов, Россия

Введение.

До сих пор самый распространенный в России способ утилизация пищевых отходов – захоронение на полигонах. В этом случае отходы просто вывозят на полигоны и закапывают. Органика перегнивает на свалках естественным путем.

При этом одним из самых важных вопросов является организация на местах отдельного сбора и переработки в полезную продукцию пищевых и сельскохозяйственных отходов, накопление которых на свалках и так называемых полигонах вызывает с одной стороны выделение в атмосферу «свалочного газа», обладающего неприятным запахом и присутствием вредных составляющих, например, сероводорода, а с другой – вызывает перегрев и возгорание других отходов, в том числе хлорсодержащих, что приводит к образованию таких сильно действующих отравляющих веществ, как диоксиды, пагубно отражаясь на здоровье жителей прилежащих к полигонам территорий.

Переработка, являясь, по сути, единственным прогрессивным методом обращения с органическими отходами, все более популярна во всем мире. В РФ данный вид сырья все еще недооценивается. При этом органика имеет принципиальное отличие от всех прочих групп отходов: она может быть полностью переработана и по факту является не мусором, а ресурсом, и, следовательно, не должна быть захоронена на полигонах. В действительности в России рециклингу подвергается лишь небольшая доля образуемых органических отходов.

Важно уточнить, что под органическими отходами следует понимать не только пищевую фракцию ТКО, но также иловый осадок очистных сооружений сточных вод; белковые и растительные отходы предприятий пищевой промышленности; навоз и помет сельскохозяйственных животных и птиц; отходы, содержащие целлюлозу, включая продукцию текстильной отрасли, предприятий занимающихся переработкой зерна, целлюлозно-бумажной и лесозаготовительной промышленности.

Биотехнологии в последнее время приобретают большие масштабы как перспективные направления науки, изучающие возможности использования живых организмов, систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач.

Методика исследований.

В качестве объекта исследования выбран американский вид мухи – Черная львинка (Hermetia illucens), рис. 1.

На данный момент существуют и другие способы переработки, когда из остатков пищи делают полезную продукцию: испорченную пищу превращают в высокоэффективный белково-липидный корм для скота, домашних животных, рыб и рептилий с помощью переработки личинки Hermetia illuctns (Черной львинки) в органическое удобрение «Зоогумус» [2].

Максимальная скорость биоконверсии не менее 0,9 кг/день/м², удельная производительность не менее 25 мг субстрата/личинка/сутки при плотности посадки 5 особей на 1 см² [3].

Результаты исследований.

Анализ литературных источников [7–11] позволил определить оптимальные условия для роста, развития и размножения вида в искусственно созданных лабораторных условиях (рис. 2).

Личинки черной львинки обладают крупным и мощным жевательным аппаратом, что позволяет им перемалывать самые разнообразные органические отходы, включая навоз, птичий помет, пищевые отходы домохозяйств и торговых точек.

В личинке содержится протеины (≈40 %) и жиры (≈40 %). В составе жирных кислот 50 % приходится на лауриновую кислоту, а также кальций, фосфор и железо [3]. Личинки содержат полезные органические соединения, которые имеют коммерческую и промышленную ценность.

К числу таких элементов относится: 42,1 % – сырой протеин; 34,8 % – липиды; 7,0 % – сырая клетчатка; 7,9 % – влага; 1,4 % – свободный экстракт азота; 14,6 % – зола; 5,0 % – кальций; 1,5 % – фосфор (1), а также ≈40 % аминокислот, которые оказывают благоприятное воздействие на рост и развитие сельскохозяйственных животных и птиц и подтверждают возможность использования сухих личинок в виде кормовой добавки (рис. 3).

В последнее десятилетие во всем мире наблюдается повышенный интерес к насекомым как источнику высоко усвояемого кормового белка, жира с уникальными свойствами, антиоксидантов, иммуномодуляторов, сырья для получения новых лекарственных средств [1].

Немаловажным фактором является возможность некоторых видов содержаться в культуре в искусственных условиях. Это позволяет использовать их в качестве новых промышленных продуцентов, получать физиолого-биохимические и генетические характеристики конкретной культуры, контролировать процессы биоконверсии субстратов, на которых развиваются насекомые, а также оценивать качественные и количественные показатели продуктов переработки биомассы насекомых для последующего применения в кормах, ветеринарии, фармакологии (табл. 1).

На содержание протеина в личинке не оказывает влияние состав кормового субстрата, в то время как количество жира и золы колеблется в зависимости от типа корма – для жира 20–45%, для золы 3–20% [5].

Основной компонент липидов этого насекомого – лауриновая кислота и ее эфиры. Среди идентифицированных глицеридов лауриновой кислоты доминирует моноглицерид, который обладает значительной биологической активностью. Считается, что в организме животных и человека лауриновая кислота, которая содержится в грудном молоке, преобразуется в монолаурин, который является противовирусным, антибактериальным и антипротозойным глицеридом [1, 5, 6].

Кислота угнетает и подавляет многие вирусы, включая вирус ВИЧ, вирус кори, клостридий и многих патогенных простейших микроорганизмов.

Аминокислотный состав белка в личинке демонстрирует присутствие широкого спектра аминокислот и относительно высокое содержание лизина (табл. 2).

Переработка остатков пищи с помощью личинки Черной львинки позволяет добиться безотходной переработки органических, пищевых отходов; производства высокоэффективного белково-липидного концентрата; решить проблему дефицита кормового белка и обеспечить домашних животных натуральным здоровым и питательным кормом; обеспечить сельскохозяйственных производителей дешевым, экологически чистым биологическим удобрением – зоогумусом.

Муха Черная львинка совершает свой жизненный путь в инсектарии (муха–яйцо–личинка–куколка–муха), в течение которого она живет всего 10 дней, откладывая яйца и погибая (табл. 3).

Вылупившиеся из яиц в инкубаторе личинки мухи Черная львинка начинают интенсивно наращивать белок своего тела, жадно поедая органические отходы и ускоренными темпами увеличивая массу своего тела в тысячи раз.

После этого необходимой для дальнейшего воспроизводства мухи и продолжения селективного процесса в инсектарии части личинок дают возможность превратиться в куколку, а основную их часть отправляют на различные предприятия для биологической переработки органических отходов на местах их производства.

Недавно ФАО ООН оценивала емкость рынка съедобных насекомых в $400 млн. Руководитель Центра экономического прогнозирования Газпромбанка Дарья Снитко ссылается на данные организации International Platform of Insects for Food and Feed (IPIFF), из которых следует, что в 2018 г. в мире было произведено 6 тыс. т насекомых для пищевого использования человеком.

Даже в странах с развитой культурой потребления подобной пищи это незначительная доля в рационе, не сравнимая с сотнями миллионов тонн зерна, мяса и прочих традиционных продуктов, признает эксперт.

Безусловными лидерами по числу употребляемых видов являются Таиланд, Лаос, Индонезия, Китай, Вьетнам, Мексика, Бразилия, Австралия. Но даже в США, Аргентине и ряде стран Западной Европы есть традиции употреблять насекомых в пищу, сообщает Снитко. Не едят насекомых (исключая случайное попадание в пищу людей) в Северной и Восточной Европе, России и странах бывшего СССР, некоторых странах Ближнего Востока. При этом эксперт напоминает, что большинство религий запрещают употребление насекомых, включая ислам, христианство и иудаизм.

Между тем ФАО прогнозирует рост рынка съедобных насекомых до $1,2 млрд к 2023 г. Наибольшая прибавка ожидается не за счет Азиатско-Тихоокеанского региона (где употребление в пищу насекомых является привычным делом), а как раз за счет Европы и Латинской Америки: буквально за пять лет они покажут почти трехкратный рост – со $170 млн до $500 млн. В Северной Америке потребление этого вида продукта вырастет более чем в три раза— до $154 млн. На традиционных потребителей – стран Азиатско-Тихоокеанского региона – будет приходиться менее половины емкости рынка, $477 млн (1).

Согласно оценке ассоциации «ТП БиоТех2030», наиболее пригодными насекомыми для промышленного разведения считаются муха Черная львинка, муха домашняя, саранча перелетная, саранча пустынная, сверчок домашний, сверчок двупятнистый, мучной хрущак большой, мучной хрущак бурый, зофобас и мраморный таракан. Одним из самых перспективных видов по скорости и количеству накопления биомассы, содержанию протеина и жира, показателям санитарно-эпидемиологической, экологической безопасности является Черная львинка.

Растущий мировой спрос и снижение темпов производства рыбной муки приводят к ежегодному росту цен, которые скоро могут дойти до 2 000 USD за 1 т. По этой причине многие производители более не могут полностью полагаться на одну только рыбную муку в рецептурах кормов и активно ищут достойную альтернативу для полной или частичной замены. По данным BCG, в мире пропадает или выбрасывается почти треть всех произведенных продуктов питания – примерно 1,6 млрд т ежегодно. Поэтому подобная переработка поможет существенно улучшить и экологическую, и экономическую ситуацию в мире [1].

В нашей стране этот рынок находится в зачаточном состоянии. Только начинают создаваться малые предприятия и организовываться индивидуальные предприниматели, осваивающие эти технологии. На промышленное производство по переработке органических отходов при помощи личинок мухи «черная львинка» вышла компания «Энтопротэк» с производством в г. Пенза.

Освоенная ею технология прошла все этапы лицензирования и в планах дальнейшего расширения производства кампания «Энтопротэк» рассчитывает до 2024 г. открыть 7 заводов и только три из них на территории России. Реализация этих планов стала возможной при поддержке и содействии Израиля, куда сейчас переносится основной центр последующих исследований.

Личинка Черной львинки – насекомое, вызывающее большой научный и практический интерес. Исследования доказывают биологическую активность аминокислот белков мухи Черная львинка и подтверждают необходимость использования личинок в качестве кормовой добавки крупному рогатому скоту и птице. При кормлении животных и птиц кормами с добавлением муки из высушенных личинок иммунная система становится более устойчивой к внешним раздражителям, стимулируется выделение гормона роста, что приводит к приросту организма по массе, а также указанные аминокислоты обеспечивают поддержание нормального обмена азота в организме животных, что приводит к нормализации обмена веществ и повышению иммунитета.

Это одним из наиболее перспективных видов насекомых для промышленного разведения считается личинка Hermetia illucens. В качестве кормового субстрата для выращивания личинок возможно использование широкого спектра органических субстратов, в том числе отходов сельского хозяйства.

Заключение.

Согласно вышеизложенному, Черная львинка является перспективным объектом исследований, поскольку широко зарекомендовала себя в качестве кормовой добавки сельскохозяйственным животным и аквакультуре, а также вид связан с актуальным направлением экологически безопасной биоутилизации органических отходов, что важно для условий палеарктики и циркумполярного Саратовского региона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антонов А.М., Lutovinovas E., Иванов Г.А., Пастухова Н.О. / Адаптация и перспективы разведения мухи Черная львинка (Hermetia illucens) в циркумполярном регионе // Принципы экологии. 2017. № 3. С. 4–19. DOI: 10.15393/j1.art.2017.6302

2. Бастраков А.И., Загоринский А.А., Козлова А.А., Ушакова Н.А. / Высокоэффективная биоконверсия органических субстратов личинками Черной львинки (Hermetia illucens) // Биотехнология и качество жизни: Междунар. науч.-практ. конф. М., 2014. С. 418–419.

3. Серебрянский Д.Н. / Достоинства и проблемы бизнеса по разведению личинок мух Чёрная львинка (Hermetia illucens). URL: http: // www.nasadki.net /index /dostoinstva_i_problemy_biznesa_po_razvedeniju_ lichinok_mukh_chernaja_lvinka_hermetiaillucens/0-594.

4. Ушакова Н.А., Некрасов Р.В. / Перспективы использования насекомых в кормлении сельскохозяйственных животных // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы VIII Московского междунар. конгресса. М., 2015. C. 147–149.

5. Diener S., Zurbrügg C., Tockner K. Bioaccumulation of heavy metals in the black soldier fly, Hermetia illucens and effects on its life cycle // Journal of Insects as Food and Feed. 2015. Vol. 1(4). P. 261–270.

6. Fernanda O., Klaus D., Richard L., Joseph R.O. /Assessment of diptera: Stratiomyidae, genus Hermetia illucens (l., 1758) using electron microscopy // Journal of entomology and zoology studies. 2015. Vol. 3(5). P. 147–152.

7. Newton G.L., Booram C.V., Baker R.W., Hale O.M. / Dried Hermetia illucens larvae meal as a supplement for swine // Journal of Animal Science. 1977. Vol. 44 (3). Р. 395–400.

8. Stamer A., Wesselss S., Neidigk R., Hoerstgen-Schwark G. Black Soldier Fly (Hermetia illucens) larvae- meal as an example for a new feed ingredients’ class in aquaculture diets // Rahmann G., Aksoy U. (Eds.). Proceedings of the 4th ISOFAR Scientific Conference. ‘Building Organic Bridges’, at the Organic World Congress 2014, 13–15 Oct. Istanbul, Turkey, 2014. P. 1043–1046.

9. Tran G., Gnaedinger C., Melin C. Black soldier fly larvae (Hermetia illucens). Feedipedia, a programme by INRA, CIRAD, AFZ and FAO // Last updated on October. 2015. Vol. 20. URL: http://www.feedipedia.org/ node/16388.

REFERENCES

1. Antonov A.M., Lutovinovas E., Ivanov G.A., Pastukhova N.O. / Adaptation and breeding prospects of the Black Lion fly (Hermetia illucens) in the circumpolar region. Principles of Ecology. 2017; 3: 4–19. DOI: 10.15393/j1.art.2017.6302

2. Bastrakov A.I., Zagorinsky A.A., Kozlova A.A., Ushakova N.A. / Highly efficient bioconversion of organic substrates by Black Lion Lion (Hermetia illucens) larvae. Biotechnology and quality of life. // Moscow, 2014: 418–419.

3. Serebryansky D.N. / Advantages and problems of the business of breeding the larvae of the Black Lion fly (Hermetia illucens). URL: http://www.nasadki.net/index/dostoinstva_i_problemy_biznesa_po_razvedeniju_ lichinok_mukh_chernaja_lvinka_hermetiaillucens/0-594.

4. Ushakova N.A., Nekrasov R.V. / Prospects for the use of insects in feeding farm animals./ Biotechnology: 2 state and development prospects. // Moscow, 2015: 147–149.

5. Diener S., Zurbrügg C., Tockner K. / Bioaccumulation of heavy metals in the black soldier fly, Hermetia illucens and effects on its life cycle. Journal of Insects as Food and Feed. 2015; 1(4): 261–270.

6. Fernanda O., Klaus D., Richard L., Joseph R. O. / Assessment of diptera: Stratiomyi-dae, genus Hermetia illucens (l., 1758) using electron microscopy. Journal of entomology and zoology studies. 2015; 3(5): 147–152.

7. Newton G.L., Booram C.V., Baker R.W., Hale O.M. / Dried Hermetia illu-cens larvae meal as a supplement for swine. Journal of Animal Science. 1977; 44(3): 395–400.

8. Stamer A., Wesselss S., Neidigk R., Hoerstgen-Schwark G. Black Soldier Fly (Hermetia illucens) larvae-meal as an example for a new feed ingredients’ class in aquaculture diets / Rahmann G ., Aksoy U. (Eds.). Proceedings of the 4th ISOFAR Scientific Conference. ‘Building Organic Bridges’, at the Organic World Congress // 2014, 13–15 Oct. Istanbul, Turkey, 2014. P. 1043–1046.

9. Tran G., Gnaedinger C., Melin C. / Black soldier fly larvae (Hermetia illucens). Feedipedia, a program by INRA, CIRAD, AFZ and FAO // Last updated on October. 2015; 20. URL: http://www.feedipedia.org/node/16388.

Natalia I. Shevchenko, Yulia A. Guseva

Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov, Saratov, Russia

Abstract.
At the moment, the disposal of food waste, including their collection, transportation and disposal, is one of the most important global tasks. Wastes of organic origin require special attention, since they must be destroyed or recycled in a short time, otherwise active decay of products begins, which leads to the spread of a fetid odor and the release of end products toxic to humans - ammonia and hydrogen sulfide. On average, in nature, organic matter decomposes completely in 30-45 days. Leftover food in landfills attracts rodents and birds. Excess food leads to a sharp increase in the number of species that carry the infection, and this can provoke outbreaks of such dangerous diseases as dysentery, ornithosis, salmonellosis and others.

Keywords: biotechnology; processing; waste; protein feed; larva; pupa; fertilizers.

Статья поступила в редакцию 11.02.2022; одобрена после рецензирования 27.03.2022; принята к публикации 10.04.2022.

The article was submitted 11.02.2022; approved after reviewing 27.03.2022; accepted for publication 10.04.2022.

Для цитирования: Шевченко Н.И., Гусева Ю.А. / Построение модели систем переработки отходов органического происхождения в Саратовском регионе // Основы и перспективы органических биотехнологий. 2022. № 2. С. 31-38 --- https://organic-academy.online

For citation: Shevchenko N.I., Guseva Yu.A. Building a model of organic waste processing systems in the Saratov region // Osnovy i perspektivy organicheskikh biotekhnologiy = Fundamentals and 2 perspectives of organic biotechnologies. 2022;(2): 31-38 (In Russ.) --- https://organic-academy.online/