Макробиологическое обеззараживание отходов

Отходы жизнедеятельности здорового человека (естественные отправления, пищевые отбросы, сточные воды от уборки помещений, стирки, мытья тела, в том числе и от бани) сами по себе при наружном контакте относительно безопасны для человека (не токсичны, безвредны), хотя и вызывают врождённое отвращение. Действительно, если пот находится непосредственно на теле, то это ни у кого не вызывает опасений. Так почему же тот же пот в сточной воде должен стать токсичным? На самом деле, если отходы жизнедеятельности распределяются на больших площадях, то быстро как-то разлагаются, усваиваются растениями, микроорганизмами, червями, другими живыми существами. Это не касается современных упаковочных материалов — стекла, пластиков, металлов, — представляющих долговременную экологическую опасность и требующих вывоза на свалки (промышленно-бытовые полигоны).

Будучи сконцентрированы на свалках у населённых пунктов, у садовых и дачных массивов, отходы уже не успевают быстро разлагаться и неминуемо становятся скоплениями грызунов (мышей, крыс), птиц и насекомых (мух), которые могут распространять и свои болезни, и болезни, приобретаемые на свалках. Поэтому сбор отходов (в том числе и сточных вод) следует сопровождать дезинфекцией (уничтожением возбудителей заразных болезней), дезинсекцией (уничтожением вредных насекомых), дератизацией (уничтожением вредных грызунов), дегельминтизацией (уничтожением яиц глистов) и дезодорацией (устранением дурных запахов). Все эти процессы являются дорогостоящими, точно так же, как сжигание отходов, их термическое или химическое уничтожение. Поэтому единственным приемлемым методом массового обезвреживания отходов жизнедеятельности человека остаётся их биологическое разрушение, то есть то самое «естественное» разложение органических веществ, наблюдаемое в природе под влиянием микроорганизмов, желательно без доступа грызунов, птиц и насекомых (или вдали от людей).

Все знают, что куча собранных сорняков или кухонных отходов «сама по себе» постепенно сгнивает, превращаясь в компост, полезное удобрение. Многие полагают, что при этом происходит некое химическое окисление отходов кислородом воздуха, тем более, что процесс гниения зачастую называют минерализацией (преобразованием органических веществ в неорганические). Однако, процессы гниения хоть и являются по сути химическими явлениями, но всецело обусловлены жизнедеятельностью микробов, то есть являются биологическими явлениями.

Многие дачники даже не подозревают о существовании вокруг нас всеобъемлющего мира микроорганизмов (микробов), который не просто соседствует с нами, но и управляет нами (в части обмена веществ). Жизнь на Земле зародилась около 4 млрд. лет назад в виде неких микроорганизмов растительного типа, сначала неклеточных, способных к автотрофному питанию (то есть синтезу всех необходимых органических продуктов из неорганических веществ). Около 3 млрд. лет назад появились одноклеточные безъядерные (прокариоты), а 2 млрд. лет назад одноклеточные ядерные (эукариоты) микроорганизмы. Около 500 млн. лет назад многоклеточные растения «вылезли» из воды и колонизовали сушу, а 200 млн. лет назад появились первые млекопитающие. К этой земной эпохе (200- 500 млн. лет назад) относится каменноугольный период, которому мы обязаны подземными источниками топлива. Учитывая, что первые человекообразные появились 1-5 млн. лет назад, а человек разумный 40-100 тыс. лет назад, нам становится ясным, что человек пришёл в мир не столько лесов и животных, сколько всякого рода микроорганизмов, число видов которых миллионы, а оборот биомассы просто огромен. Так, при благоприятных условиях беспрепятственного размножения потомство одной единственной бактерии через 5 дней способно заполнить все водоёмы земного шара. В действительности, размножение микроорганизмов ограничивается множеством факторов: сложностями перемещения, недостатком пищи, температурой, кислотностью среды, наличием вредных веществ, в том числе и выделяемых самими микроорганизмами. Для дачника наибольшее значение имеет тот факт, что за 5-7 месяца тёплой погоды в год происходит не только жизненный (вегетативный) цикл растений, но и наиболее активный цикл микроорганизмов, питающих растения и уничтожающих потом (на следующий год) останки растений.

Под микроорганизмами (микробами) понимаются вирусы, бактерии, грибы (в том числе и дрожжи), водоросли и простейшие животные (протозоологические). В биотехнологиях очистки сточных вод применяются преимущественно бактерии, в то время как при компостировании оказываются более эффективными грибы, простейшие животные и черви (М. Хенце и др., Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы, пер. с англ., М.: Мир, 2004 г.).

К бактериям относятся одноклеточные микроорганизмы, состоящие из стенки (оболочки-мембраны из белков и жиров), протоплазмы (желеобразного коллоидного раствора белков, органических и неорганических веществ) и нуклеоида (ДНК, но в отличие от клеток высших организмов не заключённой в ядро). Первыми клетками (как живыми образованиями) были, видимо, мицеллы с участием белковых веществ (ионы, окруженные диполями). Стенка бактерии является осмотической мембраной, пропускающей только мелкие молекулы (воды, спиртов, простых кислот и солей). Так, в концентрированных растворах солей или сахара бактерия теряет воду из протоплазмы из-за явления осмоса, и её жизнедеятельность затормаживается, что используется при хранении (консервировании) пищевых продуктов в рассолах и сиропах. Спирты и кислоты проникают через стенку и переводят протоплазму из полужидкого в твёрдое состояние (белки протоплазмы сворачиваются), что используется при стерилизации объектов этиловым спиртом, фенолом (карболовой кислотой), уксусной кислотой (маринованием). Хлорная известь, хлорамин, йод, перекись водорода, марганцевокислый калий, будучи сильными окислителями, разрушают активные группы белков протоплазмы. Поверхностно-активные вещества, адсорбируясь на стенке, нарушают её проницаемость. Бактерии чувствительны также к ультрафиолетовому излучению (причём намного менее выносливы, чем грибы и дрожжи). Природа губительного действия ультрафиолетовых лучей точно не установлена до сих пор (предполагается образование озона).

В то же время имеется много факторов, способствующих развитию и размножению (делению) бактерий. В первую очередь, таким фактором является питание бактерий. Элементный состав всех микроорганизмов отличается от состава других живых существ и представлен в основном девятью элементами: углеродом, азотом, кислородом, водородом и составляющими золы (серой, фосфором, калием, магнием и железом). Именно эти элементы необходимо восстанавливать внутри бактерии в ходе обмена веществ в первую очередь. Химический состав бактерий включает воду (до 85%), разнообразные белки (до 80% от сухого остатка), минеральные соли (5-15% от сухого остатка), жиры и углеводы и другие органические вещества в небольшом количестве. Поступление питательных веществ и выделение продуктов обмена осуществляется через всю поверхность бактерии путём осмоса и диффузии. Поскольку внутри клетки содержится раствор, то вода создаёт внутри бактерии повышенное давление - бактерия оказывается «набухшей» («накачанной водой»); такое напряжённое состояние называется тургором. Если же бактерия попадает в концентрированный раствор (рассол, сироп), то происходит обратное явление: клетка обезвоживается, сморщивается, протоплазма загущается, питание прекращается, а следовательно бактерия не размножается; такое явление называется плазмолизом.

Бактерии классифицируются по способу питания, по методам усвоения кислорода, воды (водорода), углерода и азота. Если микроорганизмы не нуждаются в органической пище, то они называются автотрофными. Синтез белков (протеинов — азоторганических полимеров) в автотрофных микроорганизмах осуществляется из углекислого газа, минеральных солей и воды. Такой синтез возможен в силу закона сохранения энергии только за счёт внешней энергии. Если энергия потребляется за счёт фотосинтеза с помощью зелёного пигмента-хлорофилла, то таким (солнечным) типом питания обладают высшие типы растений, водоросли и лишь очень немногие бактерии (зелёные и пурпурные бактерии, живущие в пресных водоёмах и морях). Если энергия потребляется за счёт реакции окисления неорганических веществ (сероводорода, водорода, метана, аммиака), то такой тип автотрофного питания называется хемосинтезом (серные, водородные, нитрофицирующие бактерии).

Подавляющее число видов бактерий (а также многие грибы - плесени и дрожжи) подобно животным не создают сами органических веществ, необходимых для синтеза белков, а берут их готовыми из окружающей среды (гетеротрофное питание). Большинство гетеротрофных бактерий питается мёртвыми органическими субстанциями (останками растений и животных, пищевых продуктов и др.). Такие гетеротрофы называются сапрофитами. Некоторые гетеротрофы питаются органическими соединениями другого живого существа и называются паразитами. Паразитами являются многие возбудители заболеваний человека, животных и растений (патогенные бактерии).

Для очистки сточных вод используются сапрофиты, либо окисляющие органические соединения кислородом воздуха (аэробные бактерии), либо разлагающие органические соединения без доступа кислорода (анаэробные бактерии). Группа аэробных микробов чрезвычайно разнообразна. К ним кроме бактерий относятся и водоросли, и простейшие животные, и плесневые грибы. Аэробные микробы обитают в верхних слоях почвы на глубинах 2-30 см, в водоёмах; способны окислять спирты, органические кислоты, парафин, керосин, нефть, пластмассы, краски и т. п. Группа анаэробов тоже очень многообразна (дрожжи, молочнокислые, маслянокислые бактерии и т. п.). Широко распространены и промежуточные виды бактерий, сочетающие аэробные и анаэробные свойства.

Сапрофиты питаются азотом в виде белков. Азот в виде свободного атмосферного газа-азота не усваивается ни растениями, ни животными, ни микробами, кроме особых азотнофиксирующих бактерий (клубеньковых на корнях бобовых растений и некоторых других типов). Азот в виде мочевины CO(NH2)2 (карбамида) также не усваивается ни растениями, ни животными. Все эти колоссальные количества связанного азота накапливались бы в природе до бесконечности, если бы мочевина не разлагалась особыми аэробными бактериями-уробактериями с образованием аммиака NH3, который в виде солей уже может усваиваться растениями.

Процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий, сопровождающийся разложением органических веществ, называют брожением (без доступа воздуха), хотя в промышленном жаргоне брожением иногда называют действие и анаэробных бактерий (уксуснокислых, лимоннокислых). Считается, что процессы брожения участвуют в обороте углерода в живой природе, поскольку разлагают углеводы и углеводороды (в том числе и сахара в процессах спиртового брожения). К полисахаридам относится также клетчатка (образующая оболочки растительных клеток), разрушаемая двумя типами анаэробных маслянокислых бактерий (либо с выделением водорода, либо метана - болотного газа). Активно разрушают клетчатку и многочисленные виды грибов (аэробов).

Разложение белковых веществ под действием бактерий называется гниением. Гнилостные бактерии могут быть аэробными и анаэробными, могут быть вредными (патогенными) и полезными, например, подготавливающими почву. В мышцах животных (в том числе и рыбы) гнилостных бактерий нет, но при смерти животных бактерии из кишечника и из жабр (лёгких) быстро распространяются в мышечные ткани. В останках растений белков очень мало (до 1%), но в семенах (зёрнах) содержание белков может достигать 10-20%.

Ни белки, ни клетчатка, ни многие органические вещества напрямую бактериями не усваиваются. Сначала бактерии вырабатывают и выделяют либо внутрь самой клетки (в протоплазму), либо наружу из клетки специальные вещества ферменты (эндоферменты и экзоферменты), первично расщепляющие органические вещества. Например, крахмал непосредственно проникать в клетку (в том числе и бактерию) не может. Но из клетки (бактерии) или из железы животного выделяется фермент амилаза, который превращает крахмал в растворимые сахара, а другой фермент мальтаза превращает сахар в глюкозу, уже поглощаемую клеткой (бактерией). Проследить последовательность явлений удаётся лишь в простейших случаях, например, брожения глюкозы с получением спирта. При обработке сточных вод процессы брожения (в септиках) и гниения (в аэротенках) изучаются лишь на крупных городских станциях водоочистки. В быту (деревенском, дачном, садовом), в том числе и при компостированиях (с перегниванием на воздухе) и при аэрациях сточных вод пользуются лишь вышеуказанными соображениями общего плана. При этом справедливо предполагают, что всегда и везде найдутся те самые микробы, которые переработают органические отходы в различные виды перегноя. Надо только создать микробам благоприятные условия жизнедеятельности.

Число разновидностей микробов огромно, поэтому их классифицируют по форме крупными группами, внутри которых свойства разных видов бактерий считаются условно одинаковыми. Например, есть бактерии в виде шариков, и если в микроскоп увидят шарообразные бактерии, то их называют «кокки» (микрококки). Если шарики объединены в цепь, то такие бактерии называют стрептококками. Шарики, объединённые в комки, называются сарцинами. Бактерии в форме извилистых или изогнутых палочек называют вибрионами, спириллами или спирохетами. Бактерии в виде прямых палочек называют просто бактериями (Bacterium) в узком смысле этого слова. Палочки, образующие споры, называются бациллами (Bacillus). При образовании споры протоплазма бактерий обезвоживается (вследствие неблагоприятных внешних условий), сгущается и собирается вокруг нуклеоида в виде споры, а сама клетка отмирает и разрушается. Спорообразование является защитным действием для сохранения вида в изменившихся условиях среды. Так, споры бактерий сибирской язвы устойчивы в кипящей воде в течение 10 минут, а споры ботулинуса (вызывающего ботулизм - смертельное пищевое отравление) в течение 360 минут. Поэтому вздувшиеся пищевые консервы необходимо кипятить не менее 6 часов, а лучше вообще не использовать в пищу. В сухом состоянии споры некоторых бактерий способны сохраняться при 170°С в течение 1-2 часов, после чего, попав в благоприятные условия жизни, возродить полноценную бактерию. В то же время большинство бесспоровых бактерий погибают в нагреваемой жидкости при 50-60°С в течение 30 минут, а при 80-100°С в течение 1-10 минут. Устойчивость бактерий и спор к внешним условиям повышается при обезвоживаниях. Так или иначе, утверждение, что мол в бане все микробы погибают, глубоко неверны. На коже с температурой 40°С не погибает ни одна бактерия и ни один грибок. Микробы в бане просто вымываются с кожи и её пор. Большинство микробов (мезофилов) как раз «любит» температуры 20-50°С, а теплолюбивые микробы (термофилы), живущие в тропических странах и компостных кучах, лучше всего развиваются при 50-70°С. Что касается низких температур (до минус 190°С), то они вызывают лишь замедление жизненных процессов в бактериях и грибках («зимняя спячка»).

При гниении отбросов жизнедеятельности человека имеют большое значение и аэробные грибки (плесени), и анаэробные грибки (дрожжи). Так, упомянем аэробные картофельные грибки (фитофтору, поражающую побеги и клубни картофеля), мукоровые грибки (поражающие в виде пушистого войлока-плесени сероватого цвета пищевые продукты и отсыревшие стены), пенициллы (развивающиеся в продуктах питания — сырах, на коже и текстиле во влажных условиях и вырабатывающие антибиотики — пенициллины). Дрожжи обуславливают бродильные процессы в септиках на фракции твёрдых отходов.

Разные микробы в разных условиях образуют самые различные виды перегноя (гумуса) из одного и того же растительного или животного сырья: почву торф, сапропель, компост и т. п. Наихудшие условия для перегнивания растительных остатков создаются сразу при четырёх негативных параметрах: при пониженных температурах, при сильном переувлажнении, при химически кислой реакции среды и при малом насыщении воздухом (при низкой аэрации). При этом идёт образование торфа, очень плохо усваиваемого растениями, поскольку торф не содержит водорастворимых соединений азота. Торф с точки зрения органических удобрений является наименее ценным продуктом, но с точки зрения обезвреживания отходов даже торф является вполне приемлемым конечным продуктом распада, поскольку состоит из химических соединений, непригодных для питания микробов, грызунов и выплода мух. Отметим, что торф в смеси со щелочными агентами (известью, золой, фосфоритом), а также в смеси с навозом, фекалиями, компостом способен и далее биологически разлагаться вплоть до образования полноценного удобрения. Большое количество органических остатков (перегноя) превращает грунт в почву (и даже чернозём), в которой растения находят все необходимые элементы для корневого питания, включая азот. Однако сам углерод из органической составляющей почвы не потребляется, а улетучивается в ходе гниения в виде углекислого газа, который затем усваивается из атмосферы листьями в ходе фотосинтеза. Так что сам по себе органический углерод, как ни удивительно, в почве мало что даёт растениям (кроме разрыхления). А вот азот, калий, фосфор, натрий и многочисленные микроэлементы потребляются исключительно через корни, что и используется в гидропонике.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)