Экологические особенности процесса вермикомпостирования: метаанализ

  • Виктор Олегович Лемешевский Международный государственный экологический институт им. А. Д. Сахарова, Белорусский государственный университет; ВНИИ физиологии, биохимии и питания животных – филиал ФИЦ животноводства – ВИЖ им. акад. Л. К. Эрнста
  • Ли Янь Международный государственный экологический институт им. А. Д. Сахарова, Белорусский государственный университет
  • Светлана Леонидовна Максимова Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по биоресурсам

Аннотация

Для всесторонней оценки качества компоста и закономерностей транс-формации тяжелых металлов при вермикомпостировании в различных условиях контроля, нами проведен анализ 109 статей. С помощью мета-анализа количественно исследовано влияние видов вермикультуры, продолжительности предварительного компостирования, методов вентиляции, начального соотношения C/N, начальной pH и начального содержания влаги на улучшение качества компоста и снижение токсичности тяжелых металлов. Установлено, что все шесть группирующих факторов существенно влияют на качество компоста и токсичность тяжелых металлов. После вермикомпостирования достоверно увеличились следующие показатели питательных веществ: NO3--N (увеличилось на 116,2%), общий азот (увеличился на 29,1%), общий фосфор (увеличился на 31,2%) и общий калий (увеличился на 15,0%). При этом содержание NH4+-N (уменьшилось на 14,8%) и соотношение C/N (уменьшилось на 36,3%) существенно снизилось. Кроме того, общее количество и биодоступность меди и хрома в конечном компосте также значительно снизились.
Учитывая значительное влияние различных факторов группировки на качество компоста и воздействие тяжелых металлов, если основной целью компостирования является содействие разложению и обогащению питательными веществами, рекомендуется довести начальную влажность компостируемых материалов до 70–80%, C/N до 30-85 и pH до 6-7 и провести предварительное компостирование в течение 315 дней при естественной вентиляции. Если основной целью является снижение опасности тяжелых металлов в материалах, рекомендуется отрегулировать начальное содержание влаги до 50-60%, соотношение C/N ниже 30, pH до 7-8, пропустить предварительное компостирование, включить регулярное укладывание в штабель и используйте вид Eudrilus eugeniae для вермикомпостирования. Эти рекомендации будут способствовать комплексной утилизации куриного помета, дождевых червей и остатков китайских трав, оптимизируя процесс компостирования.

Биографии авторов

Виктор Олегович Лемешевский, Международный государственный экологический институт им. А. Д. Сахарова, Белорусский государственный университет; ВНИИ физиологии, биохимии и питания животных – филиал ФИЦ животноводства – ВИЖ им. акад. Л. К. Эрнста

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент; доцент кафедры общей биологии и генетики; научный сотрудник лаборатории белково-аминокислотного питания.

Ли Янь, Международный государственный экологический институт им. А. Д. Сахарова, Белорусский государственный университет

аспирант кафедры общей биологии и генетики.

Светлана Леонидовна Максимова, Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по биоресурсам

кандидат биологических наук, доцент; заведующий сектором вермитехнологий.

Литература

  1. Awasthi M K, Yan B H, Sar T, Gómez-García R, Ren L, Sharma P, Binod P, Sindhu R, Kumar V, Kumar D, Mohamed BA, Zhang Z, Taherzadeh MJ. Organic waste recycling for carbon smart circular bioeconomy and sustainable development: a review. Bioresource Tech-nology. 2022. Vol. 360. P. 127620. doi: 10.1016/j.biortech.2022.127620.
  2. Goyer C, Neupane S, Zebarth B J, Burton D L, Wilson C, Sennett L. Diverse compost products influence soil bacterial and fungal community diversity in a potato crop production system. Applied Soil Ecology. 2022. Vol. 169. P. 104247. doi: 10.1016/j.apsoil.2021.104247.
  3. Unmar G, Mohee R. Assessing the effect of biodegradable and degradable plastics on the composting of green wastesand compost quality. Bioresource Technology. 2008. Vol. 99, No 15. P. 6738-6744. doi: 10.1016/j.biortech.2008.01.016.
  4. Zhao S X, Schmidt S, Qin W, Li J, Li G, Zhang W. Towards the circular nitrogen economy – a global meta-analysis of composting technologies reveals much potential for miti-gating nitrogen losses. Science of the Total Environment. 2020. Vol. 704. P. 135401. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.135401.
  5. Wu S H, Tursenjan D, Sun Y. Impact of compost methods on humification and heavy metal passivation during chicken manure composting. Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 325. P. 116573. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.116573.
  6. Peng H, Chen Y L, Weng L P, Ma J, Ma Y, Li Y, Islam Md. S. Comparisons of heavy metal input inventory in agricultural soils in North and South China: a review. Science of the Total Environment. 2019. Vol. 660(C). P. 776-786. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.066.
  7. Chen X M, Du Z, Liu D, Wang L, Pan C, Wei Z, Jia L, Zhao R. Biochar mitigates the biotoxicity of heavy metals in livestock manure during composting. Biochar. 2022. Vol. 4, No 1. doi: 10.1007/s42773-022-00174-x.
  8. Wang M M, Wu Y C, Zhao J Y, Liu Y, Gao L, Jiang Z, Zhang J, Tian W. Comparison of composting factors, heavy metal immobilization, and microbial activity after biochar or lime application in straw-manure composting. Bioresource Technology. 2022. Vol. 363. P. 127872. doi: 10.1016/j.biortech.2022.127872.
  9. Huang D L, Gao L, Cheng M, Yan M, Zhang G, Chen S, Du L, Wang G, Li R, Tao J, Zhou W, Yin L. Carbon and N conservation during composting: a review. Science of the Total Environment. 2022. Vol. 840. P. 156355. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.156355.
  10. Yousif Abdellah Y A, Shi Z-J, Luo Y-S, Hou WT, Yang X, Wang RL. Effects of dif-ferent additives and aerobic composting factors on heavy metal bioavailability reduction and compost parameters: a meta-analysis. Environmental Pollution. 2022. Vol. 307. P. 119549. doi: 10.1016/j.envpol.2022.119549.
  11. Lim S L, Lee L H, Wu T Y. Sustainability of using composting and vermicomposting technologies for organic solid waste biotransformation: recent overview, greenhouse gases emissions and economic analysis. Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 111. P. 262-278. doi: 10.1016/j.jclepro.2015.08.083
  12. Gong X Q, Zou L, Wang Li, Zhang B, Jiang J. Biochar improves compost humifica-tion, maturity and mitigates nitrogen loss during the vermicomposting of cattle manure-maize straw. Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 325. P. 116432. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.116432.
  13. Wang F, Yao W, Zhang W W, Miao L, Wang Y, Zhang H, Ding Y, Zhu W. Humic ac-id characterization and heavy metal behaviour during vermicomposting of pig manure amend-ed with C-13-labelled rice straw. Waste Management & Research. 2022. Vol. 40, No 6. P. 736-744. doi: 10.1177/0734242X211035943.
  14. Gómez-Brandón M, Fornasier F, Andrade N D, Domínguez J. Influence of earthworms on the microbial properties and extracellular enzyme activities during vermicomposting of raw and distilled grape marc. Journal of Environmental Management. 2022. Vol. 319. P. 115654. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.115654.
  15. Devi J, Pegu R, Mondal H, Roy R, Sundar Bhattacharya S. Earthworm stocking densi-ty regulates microbial community structure and fatty acid profiles during vermicomposting of lignocellulosic waste: unraveling the microbe-metal and mineralization-humification interac-tions. Bioresource Technology. 2023. Vol. 367. P. 128305. doi: 10.1016/j.biortech.2022.128305.
  16. Ducasse V, Capowiez Y, Peigné J. Vermicomposting of municipal solid waste as a pos-sible lever for the development of sustainable agriculture. a review. Agronomy for Sustainable Development. 2022. Vol. 42, No 5. P. 1-40. doi: 10.1007/s13593-022-00819-y.
  17. Dume B, Hanc A, Svehla P, Michal P, Solcova O, Chane AD, Nigussie A. Nutrient re-covery and changes in enzyme activity during vermicomposting of hydrolysed chicken feather residue. Environmental Technology. 2022. Vol. 22. P. 1-15. doi: 10.1080/09593330.2022.2147451.
  18. Mohee R, Soobhany N. Comparison of heavy metals content in compost against ver-micompost of organic solid waste: past and present. Resources Conservation and Recycling. 2014. Vol. 92. P. 206-213. doi: 10.1016/j.resconrec.2014.07.004.
  19. Luo Y Q, Hui D F, Zhang D Q. Elevated CO2 stimulates net accumulations of carbon and nitrogen in land ecosystems: a meta-analysis. Ecology. 2006. Vol. 87, No. 1. P. 53-63. doi: 10.1890/04-1724.
  20. Yangjin D, Wu X W, Bai H, Gu J. A meta-analysis of management practices for simul-taneously mitigating N2O and NO emissions from agricultural soils. Soil and Tillage Research. 2021. Vol. 213. P. 105142. doi: 10.1016/j.still.2021.105142.
  21. Borenstein M, Hedges L V, Higgins J P T, Rothstein HR.A basic introduction to fixed-effect and random-effects models for meta-analysis. Research Synthesis Methods. 2010. Vol. 1, No 2. P. 97-111. doi: 10.1002/jrsm.12.
  22. Zhou S X, Kong F L, Lu L, Wang P, Jiang Z. Biochar – an effective additive for im-proving quality and reducing ecological risk of compost: a global meta-analysis. Science of the Total Environment. 2022. Vol. 806. P. 151439. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.151439.
  23. Bernal M P, Alburquerque J A, Moral R. Composting of animal manures and chemical criteria for compost maturity assessment. a review. Bioresource Technology. 2009. Vol. 100, No 22. P. 5444-5453. doi: 10.1016/j.biortech.2008.11.027.
  24. Gao M C, Liang F Y, Yu A, Li B, Yang L. Evaluation of stability and maturity during forced-aeration composting of chicken manure and sawdust at different C/N ratios. Chemo-sphere. 2010. Vol. 78, No 5. P. 614-619. doi: 10.1016/j.chemosphere.2009.10.056.
  25. Liegui G S, Cognet S, Djumyom G V W, Atabong, P A, Fankem Noutadié, J P, Cha-medjeu, R R, Temegne, C N, Noumsi Kengne, I M. An effective organic waste recycling through vermicomposting technology for sustainable agriculture in tropics. International Jour-nal of Recycling of Organic Waste in Agriculture. 2021. Vol. 10, No 3. P. 203-214. doi: 10.30486/ijrowa.2021.1894997.1080.
  26. Singh V, Wyatt J, Zoungrana A, Yuan Q. Evaluation of vermicompost produced by us-ing post-consumer cotton textile as carbon source. Recycling. 2022. Vol. 7, No 1. P. 10. doi: 10.3390/recycling7010010.
  27. Azizi A B, Lim M P M, Noor Z M, Abdullah N. Vermiremoval of heavy metal in sew-age sludge by utilising Lumbricus rubellus. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2013. Vol. 90. P. 13-20. doi: 10.1016/j.ecoenv.2012.12.006.
  28. Ahadi N, Sharif Z, Hossain S M T, Rostami A, Renella G. Remediation of heavy met-als and enhancement of fertilizing potential of a sewage sludge by the synergistic interaction of woodlice and earthworms. Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 385. P. 121573. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121573.
  29. Kaur A, Singh J, Vig A P, Dhaliwal SS, Rup PJ. Cocomposting with and without Ei-senia fetida for conversion of toxic paper mill sludge to a soil conditioner. Bioresource Tech-nology. 2010. Vol. 101, No 21. P. 8192-8198. doi: 10.1016/j.biortech.2010.05.041.
  30. Pathma J, Sakthivel N. Microbial diversity of vermicompost bacteria that exhibit useful agricultural traits and waste management potential. SpringerPlus. 2012. Vol. 1, No 1. P. 26. doi: 10.1186/2193-1801-1-26.
  31. Chang H Q, Zhu X H, Wu J, Guo D, Zhang L, Feng Y. Dynamics of microbial diversi-ty during the composting of agricultural straw. Journal of Integrative Agriculture. 2021. Vol. 20, No 5. P. 1121-1136. doi: 10.1016/S2095-3119(20)63341-X.
  32. Wang N, Wang W H, Jiang Y J, Dai W, Li P, Yao D, Wang J, Shi Y, Cui Z, Cao H, Dong Y, Wang H. Variations in bacterial taxonomic profiles and potential functions in re-sponse to the gut transit of earthworms (Eisenia fetida) feeding on cow manure. Science of the Total Environment. 2021. Vol. 787. P. 147392. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.147392.
  33. Zhang L, Sun X Y. Food waste and montmorillonite contribute to the enhancement of green waste composting. Process Safety and Environmental Protection. 2023. Vol. 170. P. 983-998. doi: 10.1016/j.psep.2022.12.080.
  34. Yang W, Zhang L. Addition of mature compost improves the composting of green waste. Bioresource Technology. 2022. Vol. 350. P. 126927. doi: 10.1016/j.biortech.2022.126927.
  35. Ramesh S. Grain yield, nutrient uptake and nitrogen use efficiency as influenced by different sources of vermicompost and fertilizer nitrogen in rice. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry. 2018. Vol. 7, No 5. P. 52-55.
  36. Yang F, Li G X, Zang B, Zhang Z. The maturity and CH4, N2O, NH3 emissions from vermicomposting with agricultural waste. Compost Science & Utilization. 2017. Vol. 25, No 4. P. 262-271. doi: 10.1080/1065657X.2017.1329037.
  37. Swati A, Hait S. Greenhouse gas emission during composting and vermicomposting of organic wastes-a review. Clean – Soil, Air, Water. 2018. Vol. 46, No 6. P. 1700042. doi: 10.1002/clen.201700042.
  38. Aira M, Monroy F, Domínguez J. C to N ratio strongly affects population structure of Eisenia fetida in vermicomposting systems. European Journal of Soil Biology. 2006. Vol. 42. P. S127-S131. doi: 10.1016/j.ejsobi.2006.07.039.
Опубликован
2024-01-05
Ключевые слова: компостирование дождевых червей, остатки традиционной китайской медицины, физические и химические свойства
Как цитировать
Лемешевский, В., Янь, Л., & Максимова, С. (2024). Экологические особенности процесса вермикомпостирования: метаанализ. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 4, 74-86. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/5984
Выпуск
№ 4 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Экология
Раздел
Промышленная и аграрная экология