Биоконверсия отходов агропромышленного комплекса

БИОКОНВЕРСИЯ ОТХОДОВ 
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО 
КОМПЛЕКСА 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
ИНФРА-М
2021

О.Д. СИДОРЕНКО 
В.Н. КУТРОВСКИЙ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по агрономическому образованию 
в качестве учебного пособия студентов, обучающихся 
по направлению 35.03.07 «Технология производства 
и переработка сельскохозяйственной продукции». 
(квалификация (степень) «бакалавр»)

Сидоренко О.Д.
Биоконверсия отходов агропромышленного комплекса : учебное 
пособие / О.Д. Сидоренко, В.Н. Кутровский. — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 160 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-005712-5

Впервые обобщены перспективные биологические технологии переработки отходов растениеводства, животноводства и перерабатывающей 
промышленности. Основное внимание уделено биоконверсии отходов и 
продуктам их переработки. Рассматриваемые технологии обладают несомненным преимуществом — они экологичны. Результаты теоретических изысканий и научных исследований существа процесса трансформации отходов 
уже находят практическое применение на перерабатывающих биофабриках. 
Отходы из опасного источника загрязнения  превращаются в ценное сырье 
для получения удобрений, кормов и горючих материалов.
Предназначено для студентов высших учебных сельскохозяйственных 
заведений, специалистов и сотрудников министерств и ведомств, научноисследовательских учреждений.

УДК 631.5(075.8)
ББК 65.32я73

К95

ISBN 978-5-16-005712-5
© Сидоренко О.Д., Кутровский В.Н., 2013

Р е ц е н з е н т ы:
В.И. Савич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор 
МСХА им. К.А. Тимирязева 

Е.П. Дурынина, доктор биологических наук, профессор 
МГУ им. М.В. Ломоносова

УДК 631.5(075.8)
ББК 
65.32я73
 
К95

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

От автОрОв

Утилизация отходов сельского хозяйства, их эффективное вторичное использование становятся актуальнейшей проблемой современности. Так называемые отходы – это энергонесущие субстанции, 
которые можно повторно и целенаправленно использовать в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Наиболее перспективны биологические способы утилизации с использованием 
макро- и микроорганизмов. 
Микробная клетка представляет собой, по сути, мощную биологическую систему широкого спектра действия с высокой активностью 
ферментативных реакций и производительностью. Эффективность 
каталитического действия энзимов клетки не имеет себе равных. 
В результате изменяется молекулярная структура трансформируемого 
субстрата, в неравновесных системах ферментируемых отходов появляются структуры нового типа, новые динамические состояния материи.
В настоящем учебном пособии рассматриваются пути снижения 
негативного влияния техногенных загрязнений на агроэкосистемы 
и эффективного использования энергии, заложенной в органических 
отходах. Показан механизм преобразования отходов в энергоемкие 
носители и необходимые человеку продукты. В частности, в санированные высокоактивные биоудобрения, улучшающие плодородие 
почвы, что снижает потребность в пестицидах и химических удобрениях. Переработка термофильными бактериями только 30% навоза, 
производимого в сельском хозяйстве Российской Федерации, позволит дополнительно иметь для земледелия более 5 млн т азота, 
фосфора и калия (д. в.).
Инновационные технологии биоконверсии отходов в XXI в. основаны на использовании микробной переработки отходов и водорослевых систем очистки и осветления сточных вод. Они позволяют 
получать биокомпосты, кормовой белок, биогаз, топливные элементы, биотопливо и т.д. Читателю предлагается обширная информация о современном состоянии биоконверсии отходов животноводства в частности и сельского хозяйства в целом, которая раскрывает микробиологические основы деградации органического 
материала, его трансформацию и синтез вторично используемых органических субстратов. Значительную часть этой информации представляют экспериментальные данные, полученные авторами.
Авторы надеются, что публикуемый труд будет полезен специалистам и позволит более эффективно использовать микроорганизмы 

для решения проблем рационального природопользования и увеличения продуктивности сельского хозяйства.
Учебное пособие предназначено для студентов сельскохозяйственных вузов, студентов биологических специальностей университетов и специалистов научно-исследовательских учреждений. 

Доктор сельскохозяйственных наук О.Д. Сидоренко 
Доктор сельскохозяйственных наук В.Н. Кутровский 

ввЕДЕНИЕ

В процессе производства и переработки сельскохозяйственных 
продуктов образуются разнообразные отходы. Часть из них может 
быть непосредственно использована на корм скоту, для удобрения и 
мульчирования посевов, выпуска рыночных субпродуктов. Однако 
основная масса для эффективной утилизации требует глубокой и 
дорогостоящей переработки. 
Проблема утилизации отходов АПК актуальна во многих странах 
мира. В России только на животноводческих фермах органические 
отходы ежегодно составляют: от крупного рогатого скота — до 
350 млн т, свиноводства — 31–32 и птицеводства — до 15 млн т.
В то время как окружающая среда страдает от животноводческих 
комплексов и создаются крупные очаги загрязнения, пахотные земли 
недополучают традиционно ценное для России органическое удобрение — навоз. Ежегодные потери органического вещества пахотных 
земель в Нечерноземной зоне составляют 0,5–0,7 т/га, в ЦентральноЧерноземном районе — 1,0–1,5, в Западной и Восточной Сибири — 
0,3–0,7, на Дальнем Востоке — 0,6–1,0 т/га. Для воспроизводства 
гумуса в пахотных почвах необходимо ежегодно вносить 840 млн т 
органических удобрений, или в среднем свыше 6 т/га.
Утилизация отходов должна преследовать две главные цели: эффективное вторичное использование продуктов переработки в земледелии и животноводстве и предотвращение и исключение загрязнения окружающей среды. Альтернативой сжиганию и захоронению 
отходов может и должна стать их биоконверсия с использованием 
макро- и микроорганизмов. Микробиологические превращения не 
знают преград, практически все основные классы органических соединений подвергаются трансформации и деградации с последующим получением вторичных продуктов, используемых человеком. 
Многолетние исследования авторов показали, что различные органические субстраты (навоз, помет, торф, опилки и т.д.) в оптимальных условиях минерализуются в течение 2–4 дней.
Основная роль в трансформации высокомолекулярных полимерных соединений принадлежит разнообразным микроорганизмам. 
Однако микробная технология переработки органических отходов 
АПК практически не разработана, а микроорганизмы, участвующие 
в трансформации или минерализации органических соединений, 
нечетко определены и систематизированы.
Если промышленные отходы подробно изучены, разработаны 
способы и технологии их переработки в полезные продукты, то отходы сельского хозяйства не удостоились достаточного внимания 

ученых и технологов. Попытки использовать отходы, накопленные 
в хранилищах различного вида, наталкиваются на большие сложности технологического, технического и экономического характера. 
В России нет специалистов — технологов по биоконверсии отходов. Как правило, переработкой отходов занимаются непрофессионалы. Технолог должен рассматривать этот процесс в химическом, 
физическом, биологическом, микробиологическом, биохимическом 
и других аспектах. Это вполне самостоятельная наука, непрерывно 
расширяющаяся и совершенствующаяся за счет как применения соответствующих методов физики и химии, так и разработки собственных оригинальных методов исследования. К сожалению, 
только некоторые из используемых методов гармоничны с экоциклом. Самые последние разработки фокусируются на реакторных 
биологических системах с надежным контролем качества.
Экологическая безопасность зависит от профессионализма кадров, допущенных к обращению с опасными отходами. Важно, чтобы 
эти специалисты прошли профессиональную подготовку на право 
работы с отходами, владения современными экспресс-методами 
определения химических и биологических воздействий на окружающую среду с помощью нанодатчиков.
Текущий учет отходов по классам, учет движения отходов по объектам и потребителей вторичных продуктов предполагает создание 
системы управления отходами и ее информационного обеспечения. 
Это произойдет в ближайшие 6–7 лет, поскольку природопользование и охрана окружающей среды стали одной из новых сфер взаимодействия между Европейским Союзом и Россией. Необходимо внедрять новые технологии, обеспечивающие экологическую безопасность населения и сохранение живой природы. Будущее за 
экологическим аудитом. Именно экологическая сертификация станет одним из основных рычагов воздействия на повышение безопасности продукции и процессов ее производства.
 Полученные после биотрансформации отходов вторичные продукты (твердые, жидкие и газообразные) находят практическое применение в сельском хозяйстве, промышленности, медицине. С экономической и экологической точек зрения микробиологическая 
переработка отходов сельского хозяйства наиболее перспективна.
Для разработки научных основ биоконверсии отходов необходимо 
всестороннее изучение разнообразной перерабатываемой органической смеси, ее микробоценоза. Без этого углубленное познание и 
понимание происходящих в субстрате превращений органических 
веществ невозможно. 
Трофическая структура микробного сообщества перерабатываемого органического субстрата подчиняется системным закономерностям. Микроорганизмы специализированы на конкретных суб

стратах и образуемых продуктах. При этом важно, что сообщество 
микроорганизмов функционирует как единое целое с кооперативными трофическими связями, определяющими перспективу химических взаимодействий. Физиологические группы микроорганизмов 
находятся в состоянии динамического равновесия, активны и чутко 
реагируют на колебания различных воздействий: температуры, аэрации, рН среды и т.п.
Ведущим в микробной системе перерабатываемых отходов является цикл органического углерода. Для его характеристики важно 
определить метаболические связи с указанием ключевых функциональных группировок, их сукцессии и конечные продукты. Необходимы исследования продукт-субстратных взаимодействий и взаимосвязи между структурными компонентами микробного ценоза. Это 
позволит выявить нарушения равновесия в среде, выделить группы 
организмов, взаимодействие которых обеспечивает полноту разложения органического сырья с максимальным использованием энергии.
Микробная биотехнология способна вовлечь огромные массы 
отходов растительного и животного происхождения в производство 
кормовых препаратов и добавок. Существует широкий круг микроорганизмов (микроскопических грибов, бактерий, дрожжей), трансформирующих жидкие и твердые отходы с образованием микробной 
биомассы (белка). Уровень белка в получаемых препаратах может 
достигать 4% и выше.
Термофильная микробиологическая трансформация отходов животноводства позволяет создать принципиально новые виды органических удобрений, которые обладают защитными и стимулирующими свойствами и точностью дозировки элементов питания. 
Глубокое понимание процессов, протекающих при промышленной биологической переработке органических субстратов, позволит 
профессионально проектировать оборудование, линии и цеха утилизации отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, выбирать и соблюдать оптимальные режимы и параметры 
их работы. При этом могут быть использованы аэробные, анаэробные или факультативные системы переработки, в закрытых помещениях или на открытых площадках, в том числе биоферментеры, метантенки, аэротенки и т.д. В прямой биоконверсии целлюлозосодержащих отходов остается самое главное — неизменное управление 
деструктивной активностью микробного сообщества и, в конечном 
счете, качеством вторичных продуктов (твердых, жидких и газообразных).

тЕма 1.  
ОтХОДЫ аГрОПрОмЫШЛЕННОГО 
КОмПЛЕКСа (аПК). СтрУКтУра,  
ФИЗИКО-ХИмИЧЕСКИЕ  
ХараКтЕрИСтИКИ

Классифицировать сельскохозяйственные отходы можно на отходы растениеводства, животноводства и перерабатывающих производств. По технологическому признаку их можно разделить на твердые и жидкие. Различают коммерчески значимые отходы, конечный 
продукт переработки которых имеет высокие потребительские свойства и востребован, и экологически значимые, переработка которых 
необходима и целесообразна с экологических позиций. 
Каждый класс отходов требует специфических совершенных технологических процессов переработки и завершенности технологических циклов. Например, эффективность переработки отходов животноводства зависит от их химического состава, физических свойств, 
вида животного. Многое зависит также от организации комплексной 
переработки отхода и возможности получения коммерческого, экономического и экологического эффектов.
Твердые сельскохозяйственные отходы достигают значительных 
размеров. Ежегодный мировой запас отходов растениеводства составляет (млн т): пшеничные отруби — 57,3; кукурузные початки — 
30,1; меласса — 9,3; выжатый сахарный тростник — 83,0. После 
уборки урожая плодов на каждом гектаре остается от 3,1 до 6,7 т отходов, в теплицах и питомниках — около 55 т в год. 
Одна молочная ферма со 100 дойными коровами дает примерно 
14 т твердых отходов в сутки, а откормочный комплекс на 10 тыс. 
голов крупного рогатого скота может дать 260 т. На птицефабрике 
производительностью 1 млн яиц в сутки ежесуточно образуется около 
50 т отходов. Из всей массы кукурузы, выращенной для консервирования, примерно 50% составляют полевые отходы, около 30% — отходы обработки и менее 20% — само зерно в консервированном виде. 
При выращивании риса образуется большое количество соломы, а 
обмолот риса дает 20% шелухи, содержащей 18% двуокиси кремния, 
трудносжигаемой и не находящей никакого применения.
Органические отходы промышленного, сельскохозяйственного 
или коммунального происхождения представляют собой смесь сахаров, белков, жиров, целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и неорганических солей в широком интервале концентраций (табл. 1.1).
В сельском хозяйстве России ежегодно образуется около 7 млрд т 
отходов, из которых используется лишь 2 млрд т (28,6%). В отвалах 

и хранилищах накоплено около 80 млрд т только твердых отходов. 
Особую тревогу вызывают канцерогенные вещества отходов, общее 
количество которых достигло 1,6 млрд т. Под полигоны для размещения отходов ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для 
землепользования почв, не считая земель под многочисленными несанкционированными свалками. Единая государственная политика 
в сфере обращения с отходами не дает ощутимых результатов, уровень утилизации отходов остается крайне низким.

Т а б л и ц а  1 . 1

Фракционный состав отходов (Бидлстон, Грей, Дей, 1990)

Фракции
Содержание, %

Водорастворимые соединения
(сахара, аминокислоты, аммонийные соли)
2–30

Соединения, растворимые в эфире и спирте 
(жиры, масла, воски)
1–15

Белок
5–40

Гемицеллюлоза
10–30

Целлюлоза
15–60

Лигнин
5–30

Зола
5–25

Для выбора наиболее эффективных способов утилизации отходов 
необходима всесторонняя оценка их физико-химических свойств и 
микробного ценоза. 
Характеристика отходов имеет специальные определения:
 
• абсолютно-сухая масса (%) — для твердых и полужидких отходов;
 
• общие взвешенные вещества (г/кг, мл/л) — для сточных вод;
 
• зольность (г/кг, мг/л) — оставшаяся после сжигания зола;
 
• XПК — химическое потребление кислорода (мг/л): количе ство 
кислородных эквивалентов, необходимое для полного окисления органических и неорганических загрязнителей до СО2;
 
• БПК — биологическое потребление кислорода (мг/л): количество кислородных эквивалентов, необходимое для окисления 
органических и неорганических загрязнителей до СО2 микроорганизмами или при 25оС, за определенное время;
 
• летучие вещества, газы (г/кг, мл/л) – диоксид углерода, аммиак, 
сероводород, метан и др.;
 
• структура и разнообразие бактериальных сообществ: изуче ние 
аэробных и анаэробных микроорганизмов на твердых и жидких 

питательных средах, подсчет клеток под микроскопом (в счетных камерах, на фиксированных окрашенных препаратах, в капиллярах и т.д.). Выбор метода количественного учета микроорганизмов за висит от целей исследования, свойств субстрата и 
особенностей микроорганизмов.

1.1.  
раСтИтЕЛьНЫЕ ОтХОДЫ

Отходы растениеводства представляют собой излишки сельскохозяйственной продукции, не используемые эффективно. Рециркуляция и повторная переработка открывают возможность их полезного применения в противоположность традиционным методам 
удаления и перемещения.
Органическое вещество синтезируется в природе главным образом благодаря фотосинтетической активности растений, в первую 
очередь высших растений, а также водорослей и цианобактеририй. 
Культивируемые микроскопические водоросли представляют собой 
одну из наиболее продуктивных систем (50–100 т/га в год). Производство биомассы их осуществляется путем культивирования фитопланктона в простейших искусственных водоемах.
Структурный каркас почти всех наземных растений состоит из 
полимеров: лигнина, гемицеллюлозы и целлюлозы. В табл. 1.2 представлены пропорции указанных полимеров в растительном сырье. 
В разных соотношениях они образуют лигноцеллюлозный материал, 
на долю которого приходится основная часть биомассы Земли. Остается также и огромное количество отходов сельского хозяйства, 
деревообрабатывающей промышленности и других отраслей хозяйственной деятельности человека. 

Т а б л и ц а  1 . 2

Состав лигноцеллюлозного растительного сырья, %

Сырье
Лигнин
Целлюлоза
Гемицеллюлоза
Прочие

Сосновая древесина
27,8
44,0
26,0
2,2

Березовая древесина
19,5
40,0
39,0
1,5

Багасса сахарного тростника
18,9
33,4
30,0
17,7

Солома: 

риса
12,5
32,1
24,0
—

пшеницы
14
30
22
—

ржи
—
34
—
—