Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Кузбасская государственная педагогическая академия

Естественно-географический факультет

Кафедра ботаники

Выпускная квалификационная работа

по биологии

Утилизация промышленных отходов с использованием вермикомпоста (продукта жизнедеятельности красных калифорнийских червей)

студента 5 курса 4 гр. очной формы обучения

Ибрагимова Садига Советовича

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

зав. кафедрой А.С. Водолеев

Новокузнецк 2012

Содержание

Введение

Глава 1. Объекты и методы исследования

1.1 История изучения дождевых червей

1.1.1 Биология дождевых червей

1.1.2 Основные представители люмбрицид

1.1.3 Экология дождевых червей

1.1.4 Роль дождевых червей в процессах почвообразования

1.1.5 Калифорнийский красный червь и владимирский «старатель»

1.1.6 Качественная и количественная характеристика биогумуса

1.2 Сорт яровой пшеницы «Новосибирская-29»

1.3 Характеристика промышленных отходов

1.3.1 Отходы железорудного обогащения Абагурской аглофабрики

1.3.2 Золошлаковые отходы Томь-Усинской ГРЭС

1.3.3 Шламовые отходы ЗСМК

1.4 Методика проводимых исследований

1.4.1 Условия проведения лабораторного эксперимента

1.4.2 Определение содержания хлорофилла в проростках злака

1.4.3 Цитохимический анализ на содержание тяжёлых металлов

1.4.4 Определение видового состава почвенных микроорганизмов

Глава 2. Результаты исследования и обсуждение результатов

2.1 Результаты исследований 3-го дня лабораторного эксперимента

2.2 Результаты исследований 7-го дня лабораторного эксперимента

2.3 Результаты опыта по определению содержания хлорофилла в проростках злаков

2.4 Результаты цитохимического анализа на содержание тяжёлых металлов

2.5 Результаты опыта по определению видового состава почвенных микроорганизмов

Глава 3. Практическое использование материалов работы

3.1 Содержание дождевых червей в домашних условиях

3.2 Культивирование дождевых червей на садовом участке

3.3 Урок биологии по теме «Тип Кольчатые черви. Класс Малощетинковые черви. Внешнее и внутреннее строение малощетинковых на примере дождевого червя. Значение дождевых червей в природе и в жизни человека»

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Актуальность. В настоящее время существует проблема деградации почв, снижения её плодородия, остро стоит проблема утилизации органических отходов городского и сельского хозяйства, отходов промышленного производства. Причиной возникших проблем является неразумная хозяйственная деятельность человека: неумеренное употребление удобрений и пестицидов, вырубка деревьев и кустарников, перевыпас скота, несовершенство технологий безотходного производства в промышленности, следствием которого является накопление в отвалах, полигонах десятков миллионов тонн отходов и загрязнение почв тяжёлыми металлами. Из них полтора миллиарда тонн - токсичные (обладают общетоксическими, токсико-генетическими, эмбриотоксическими, канцерогенными и другими негативными свойствами). Четыре тысячи промышленных отвалов переполнены. Многие из них находятся в аварийном состоянии.

Существующие проблемы заставляют изыскать возможности применения экологически чистых и безотходных технологий для повышения плодородия почв и утилизации отходов городского и сельского хозяйства, промышленного производства. Одним из перспективных направлений является - утилизация промышленных отходов биологическим способом (с использованием вермикомпоста, или биогумуса) и создание на их поверхностях устойчивых культурфитоценозов.

В результате селекции красных дождевых червей человеком были получены гибриды, которые используются для переработки и утилизации органических отходов с целью получения ценного продукта - биогумуса. В природе дождевые черви являются биологическим фактором процесса почвообразования. Они разрыхляют почву на большую глубину, содействуя проникновению воздуха и влаги, перепахивают почву, способствуют накоплению в почве органических веществ и образованию перегноя.

Объекты исследования - отходы железорудного обогащения хвосто-хранилища Абагурской аглофабрики, шламовые отходы ЗСМК и золошлаковые отходы Томь-Усинской ГРЭС; вермикомпост - продукт переработки красных калифорнийских червей; яровая пшеница сорта «Новосибирская-29».

Предмет исследования - восстановление плодородия техногенно нарушенных земель с использованием органических мелиорантов - продукта переработки красных калифорнийских червей.

Целью данной работы является изучение возможностей дождевых червей в процессе почвообразования, практического применения продукта их жизнедеятельности - вермикомпоста в процессе утилизации промышленных отходов угольной, металлургической и энергетической отраслей для создания устойчивого травостоя и оздоровления окружающей природной среды.

Исходя из цели работы, были поставлены задачи:

1. Изучить общие вопросы биологии, жизнедеятельности дождевых червей, обобщить зарубежный и отечественный опыт по вермикультивированию.

2. Разработать практические рекомендации по содержанию дождевых червей в домашних условиях, культивированию их на садовом участке и получению вермикомпоста.

3. В практическом исследовании показать возможность применения вермикомпоста для утилизации производственных отходов.

4. На основе материалов работы разработать урок по биологии по теме «Тип Кольчатые черви».

Методы исследования: полевой (сбор материала), описательный, лабораторный эксперимент, микроскопический, метод количественной оценки содержания пигментов (оптический с использованием фотоэлектроколо-риметра), цитохимический, морфологический.

Апробация. Материалы настоящей работы были изложены в докладе «Утилизация промышленных отходов с использованием вермикомпоста» на второй Международной научно-практической конференции «Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия в Кузбассе» (Новокузнецк, 2008 г.) [20], на межвузовской студенческой конференции при филиале Санкт-Петербургского института внешнеэкономических связей, экономики и права (Новокузнецк, 2009 г.).

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при проведении рекультивационных мероприятий специалистами-мелиораторами, садоводами-любителями при подготовке почвы к посадке рассады, цветоводами при формировании почвосмесей для комнатных растений, а также на уроках биологии в 7-ом классе в теме «Тип Кольчатые черви».

Структура и объём работы. Настоящая работа объёмом 93 страницы состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, который содержит 32 источника на русском языке. Работа иллюстрирована 46 рисунками, содержит 9 таблиц.

Выражаю особую благодарность своему научному руководителю за помощь в написании настоящей работы: доктору сельскохозяйственных наук, заведующему кафедрой ботаники Водолееву Анатолию Сергеевичу. Также благодарю библиотекарей Научной библиотеки ЕГФ КузГПА за предоставленные книги.

Глава 1. Общие сведения о культивируемых дождевых червях

1.1 История исследования дождевых червей

О пользе дождевых червей для плодородия земли было известно людям издавна. Древние египтяне обожествляли дождевого червя, считая его священным животным. Античные земледельцы знали, что на почвах, где водятся черви, урожай всегда богаче.

Первые системные научные исследования дождевых червей, проводившиеся рядом учёных в Англии, Франции и Германии относятся к первой половине XIX века. Однако основной вклад в развитие этой темы внёс Чарльз Дарвин, который заинтересовался дождевыми червями ещё в молодые годы и посвятил их изучению более 40 лет жизни. В своей классической работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей и наблюдения над их образом жизни», опубликованной им за год до смерти в 1881 году он отмечал, что «...Почва правильно обрабатывалась червями и будет обрабатываться ими... Черви превосходным образом подготавливают землю для роста растений... Весь существующий растительный слой уже не раз прошёл через кишечный канал червей и ещё пройдёт много раз... Тщательно перемешивают они всю почву, подобно садовнику, готовящему измельчённую землю для своих самых изысканных растений... Весьма сомнительно, чтобы нашлись ещё другие животные, которые в истории земной коры заняли бы столь видное место» [18].

В России первыми исследованиями почвообразовательной деятельности дождевых червей в конце XIX века, продолжив работу Ч. Дарвина, занимался Г.Н. Высоцкий. Полученные им результаты, а также труды таких учёных, как Н.А. Димо и М.С. Гилярова расширили и углубили сведения о дождевых червях и их роли в почвообразовании [15, 16, 17]. Однако, затем на долгие годы дождевой червь, как объект изучения, был забыт и более полувека ни биологи, ни почвоведы не обращались к этой теме.

1.1.1 Биология дождевых червей

Дождевые черви относятся к типу Кольчатые черви (Phylum Annelidae), подтипу Поясковых (Subphyllum Clitellata), классу Малощетинковых червей (Classis Oligochaeta), отряду Люмбрикоморфы, или Высших Малощетинковых, (Ordo Lumbricomorpha), семейству Настоящие дождевые черви (Familia Lumbricidae), которое включает более 200 видов червей.

На территории России обитает около 100 видов дождевых червей, среди которых лишь немногие поддаются разведению. Наиболее привлекательными для вермикультивирования являются черви, относящиеся к виду красных червей (Lumbricus rubellus). В результате их селекции был получен «Гибрид красный калифорнийский», универсальный по своим характеристикам и наиболее экономически эффективный. Он сохранил физиологические и морфологические особенности, характерные для других дождевых червей, но в отличие от своих «диких» сородичей имеет значительно большую продолжительность жизни, более плодовит, очень вынослив, приучен жить в неволе. Утрата инстинкта покидать место обитания делает возможным его разведение под открытым небом без риска потери популяции.

Особенности внешнего строения. Тело червя сильно вытянуто в поперечном сечении. Передний конец тела начинается небольшой подвижной головной лопастью (простомиумом), лишённой глаз, антенн и пальп (рис. 1). За простомиумом находится первый сегмент, или перистомиум, на котором с нижней стороны расположен рот. Каждый сегмент, кроме перистомиума, снабжён четырьмя парами пучков маленьких щетинок, торчащих непосредственно из стенки тела. Щетинки направлены остриями назад и препятствуют движению тела червя при его передвижении в земляных норках. С 32-го по 37-й членик имеется утолщение покровов, охватывающее несколько сегментов, - поясок, или клителлюм, заключающий много железистых клеток, секрет которых идёт на образование кокона. Тело червя заканчивается небольшой анальной лопастью (пигидиумом) с анальным отверстием.

Рис. 1. Внешний вид дождевого червя

Кожно-мускульный мешок. Тело дождевого червя покрыто слоем кожного эпителия с большим количеством железистых клеток. Кожа выделяет тонкую кутикулу. Обильное выделение слизи защищает кожу дождевых червей от механических повреждений и высыхания. Под кожей залегают кольцевые и продольные мышцы, изнутри выстланные целомическим эпителием (рис. 2).

Рис. 2. Поперечный разрез из средней части тела дождевого червя

Полость тела. У дождевых червей имеется типичный сегментированный целом, заполненный полостной жидкостью, с расположенными в нём внутренними органами. У дождевых червей спинная брыжейка исчезает, а брюшная не доходит до брюшной стенки тела. Она связывает кишечник с брюшным кровеносным сосудом и брюшной нервной цепочкой. Целомическая жидкость может свободно поступать из одного сегмента в другой. Целом осуществляет питательную, экскреторную и дыхательную функции. Кроме того, целом выполняет опорно-двигательную функцию благодаря несжимаемости целомической жидкости и перистальтическим движениям мускулатуры.

Пищеварительная система дождевых червей состоит из ряда хорошо дифференцированных отделов - глотки, пищевода, зоба и мускульного желудка, средней и задней кишки (рис. 3). В пищевод впадают три пары особых известковых желёз, секреты которых нейтрализует гуминовые кислоты в пище дождевых червей. Из пищевода пища поступает в зоб, где накапливается, а затем небольшими порциями переходит в мускульный желудок. Здесь происходит измельчение растительных остатков путём перетирания их между минеральными частицами грунта. Из желудка пища поступает в среднюю кишку, где происходит всасывание питательных веществ. Средняя кишка образует на спинной стороне складчатый выступ - тифлозоль, вдающийся внутрь просвета кишки и увеличивающий всасывающую поверхность кишки. Непереваренные остатки пищи и минеральные частицы почвы поступают в короткую заднюю кишку и удаляются через анальное отверстие.

Рис. 3. Пищеварительная система дождевого червя

Дыхательная система. Основным и единственным органом дыхания служит кожа, в которой разветвляется густая сеть капилляров. После дождя вода проходит через верхние слои почвы, где поглощается имеющийся в ней кислород. Такая вода, лишённая кислорода, губительна для дождевых червей. Когда вода заливает норки, черви, спасаясь от неё, вынуждены выползать на поверхность (отсюда - название «дождевые черви»).

Кровеносная система. У дождевых червей имеется хорошо развитая замкнутая кровеносная система. Имеются спинной и брюшной пульсирующие сосуды, которые связаны кольцевыми сосудами. Кольцевые сосуды переднего конца тела, охватывающие пищевод, самостоятельно пульсируют, за что их называют сердцами (рис. 4). Циркуляции крови также способствуют перистальтические движения тела червя. Плазма крови обычно содержит вещество, близкое к гемоглобину, которое придаёт крови красный цвет.

Рис. 4. Анатомия дождевого червя

Выделительная система. Органы выделения представлены типичными метанефридиями, имеющими сложное строение. Свойство метанефридиев к экономии влаги в организме путём реабсорбции воды обеспечивает приспособленность дождевых червей к жизни в почве. Твёрдые экскреты накапливаются в хлорагенных клетках целомического эпителия. Частично эти клетки, наполненные экскретами, удаляются через воронки нефридиев или через особые поры в стенке тела.

Нервная система. У дождевых червей имеются типичные для кольчецов парные надглоточные ганглии и брюшная нервная цепочка

Органы чувств у дождевых червей развиты слабо, что объясняется их жизнью в почве. В коже много чувствующих клеток: светочувствительных, осязательных и др. (рис. 5). Дождевые черви чутко реагируют на свет, влажность и температуру. Этим объясняются их вертикальные миграции в почве в течение суток и по сезонам.

Рис. 5. Поперечный разрез через участок кожно-мускульного мешка и чувствительную почку дождевого червя

Половая система, размножение и развитие. Дождевые черви - гермафродиты. В 10-м и 11-м сегментах тела залегают 2 пары семенников, лежащих в семенных капсулах, семенники прикрыты тремя парами особых семенных мешков, последние развиваются как выпячивания диссепиментов (рис. 6). В семенные мешки половые клетки попадают из семенных капсул, после того как они отделились от семенников. В семенных мешках половые клетки окончательно созревают, и зрелые спермии поступают обратно в семенные капсулы. Для их вывода служат специальные протоки. Против каждого семенника имеется по мерцательной воронке, от которой назад отходит выводной канал. Оба канала каждой стороны сливаются в один продольный семяпровод, открывающийся на брюшной стороне 15-го сегмента. Половые воронки вместе с выводными протоками представляют настоящие целомодукты, то есть образования мезодермальной природы.

Женская половая система образована одной парой очень мелких яичников в 13-м сегменте и парой коротких, ворончатых яйцеводов, открывающихся на 14-м сегменте. Задний диссепимент женского сегмента образует яйцевые мешки, сходные с семенными мешками (см. рис. 6). Кроме того, к женской системе относятся ещё 2 пары глубоких кожных впячиваний, семяприёмников на брюшной стороне 9-го и 10-го сегментов. Эти мешочки, не имеющие никакого сообщения с полостью тела, служат в качестве семяприёмников при перекрёстном оплодотворении.

Косвенное отношение к половой системе имеют ещё многочисленные одноклеточные желёзки, образующие на поверхности тела на протяжении 32-37-го сегментов кольцевидное утолщение - поясок, или клителлюм. Они выделяют слизь, служащую для образования яйцевого кокона, и белковую жидкость, идущую на питание развивающегося зародыша.

Оплодотворение дождевых червей перекрёстное. Два червя прикладываются брюшными сторонами, головы обращены друг другу навстречу. Поясками обоих червей выделяется слизь, одевающая их в виде двух муфт, поясок одного червя располагается против отверстий семяприёмников другого. Из мужских отверстий обоих червей выделяется сперма, которая сокращением брюшной мускулатуры проводится по его поверхности к пояску, где и попадает в упомянутую ранее слизистую муфту. Семяприёмники партнёра производят при этом как бы глотательные движения и воспринимают поступающее в муфту семя. Таким образом, семяприёмники обоих особей заполняются чужим семенем. Так происходит копуляция, после чего черви расходятся. Откладка яиц и их оплодотворение происходит значительно позже. Червь выделяет вокруг своего тела, в области пояска, слизистую муфту, в которую и откладываются яйца. Затем муфта сползает с червя через его головной конец. Во время прохождения муфты мимо 9-го и 10-го сегментов семяприёмники вдавливают в муфту находящееся в них чужое семя, которым яйца и оплодотворяются. Муфта после этого смыкается на концах, уплотняется и превращается в яйцевой кокон, под защитой которого и происходит развитие яиц. Яйца развиваются внутри яйцевого кокона, из которого выходит уже вполне сформированный червь. Кокон содержит питательную белковую жидкость, а яйца бедны желтком и, развиваясь, дают зародыш, который активно заглатывает белок [19, 22, 23, 31].

Рис. 6. Саггитальный разрез половых сегментов дождевого червя

1.1.2 Основные представители люмбрицид

Центральным семейством отряда Lumbricomorpha является семейство люмбрицид, или настоящих дождевых червей (Familia Lumbricidae), включающее до 200 видов. Зоологи различают виды дождевых червей по особенностям строения органов размножения, по расположению щетинок и другим особенностям [25].

Один из наиболее обычных в средней полосе европейской части России видов дождевых червей - Lumbricus terrestris (рис. 7) - отличается крупными размерами (длина до 30 см, толщина до 1 см), имеет уплощённый и расширенный хвостовой конец и тёмно-красную с фиолетовым оттенком окраску спинной стороны в передней трети тела, остальная часть лишена пигментации и имеет грязно-розовый цвет. Только вдоль середины спины тянется узкая тёмно-красная полоса. Его также называют большой красный выползок. Щетинки у него расположены на сегментах четырьмя парами, а поясок простирается с 32-го по 37-й сегмент. В земле роет глубокие ходы, уходящие от поверхности на 2 м и больше. В тёплую и сырую погоду по ночам эти черви вылезают из норок, но не совсем, а, цепляясь хвостом за отверстие, так что в случае опасности могут быстро скрыться. Вытягиваясь, они обшаривают окружающее пространство, захватывают ртом опавшие листья, полусгнившие травинки и другую растительность, затаскивая их в свои норки. Черви заглатывают и землю. Органические вещества почвы, перегной используются в качестве пищи, песчинки способствуют измельчению и перетиранию проглоченных кусочков листьев. Когда червь зарывается в землю с поверхности или когда роет новый ход в толще почвы, он действует передним концом как клином, попеременно то сужая и втягивая его, то, вздувая и сокращая, таким образом расталкивая частицы почвы в стороны. Большую роль при этом играют щетинки, цепляющиеся за стенки хода и не дающие возможности телу червя соскальзывать назад при его сокращении. По поверхности земли, не имея опоры со всех сторон, черви передвигаются сравнительно медленно, а внутри своих ходов довольно быстро.

Рис. 7. Обыкновенный дождевой червь, большой красный выползок (Lumbricus terrestris)

К роду люмбрикус (Genus Lumbricus) принадлежат десять видов. Самый обычный на территории нашей страны - малый красный червь, или малый выползок (Lumbricus rubellus). Он вдвое короче и тоньше большого красного выползка, но окрашен ярче, вишнёво-красного цвета (рис. 8). Задний конец его тела тоже уплощён и расширен, а поясок у него обычно расположен с 27-го по 32-й сегмент. Глубоких ходов, как большой выползок, не делает, обычно держится в самом поверхностном слое почвы или в лесной подстилке среди гниющих листьев.

Рис. 8. Малый красный выползок (Lumbricus rubellus)

Самый распространённый и часто встречающийся в средней полосе России - вид Nicodrilus caliginosus (рис. 9), называемый иногда пашенным червем, так как на пашнях и полях попадается чаще других; найти его можно также и в лесах, на огородах и побережьях водоёмов. Это средних размеров (длиной до 15-16 см) сероватый червь, лишённый пурпурной пигментации, с пояском, расположенным обычно на сегментах с 27-го по 34-й. Задний конец тела не уплощён. Как и у других видов этого рода, щетинки на каждом сегменте сближены попарно. В отличие от выползков, он держится обычно в толще почвы на глубине 5-16 см, где и питается главным образом почвенным перегноем. На поверхность его могут выгнать только сильные дожди. Во время летней засухи уходит на глубину 40-60 см, свёртывается там клубком, иногда буквально завязываясь узлом, выделяет слизь и с её помощью строит вокруг себя из почвенных частиц довольно прочную защитную капсулу, впадая затем в неактивное состояние. Такая диапауза может продолжаться больше 2 месяцев. Благодаря этой особенности Nicodrilus caliginosus более устойчив к засухе и может заселять сухие, открытые места [16].

Рис. 9. Пашенный червь (Nicodrilus caliginosus)

Один из наиболее ярко окрашенных червей - навозный (Eisenia foetida), обладающий специфическим неприятным запахом. Это сравнительно небольшой червь, длиной 6-10 см, с попарно сближенными щетинками (рис. 10). Цвет его тёмно-красный или красно-коричневый, но окраска не сплошная, а кольчатая, так как бороздки, разделяющие сегменты, светлые, что особенно хорошо видно, когда червь сильно растянется. Навозный червь очень широко распространён: на севере и в средней полосе он встречается недалеко от жилья человека, в скоплениях навоза, гнилой соломы, в парниках. Но в лесостепной полосе становится довольно обычным и в лесах, далёких от жилья, где его можно найти в старых трухлявых пнях, дуплах, скоплениях прелых листьев и по берегам речек и ручьёв. При раздражении навозный червь выделяет довольно сильно пахнущую жёлтую жидкость.

Рис. 10. Навозный червь (Eisenia foetida)

К этому же роду относится и эйзения Норденшельда (Eisenia nordenskioldi), названная так в честь известного шведского путешественника, исследователя полярных стран Норденшельда, собравшего большие зоологические колеккции на севере Сибири. Этот вид распространён по всей Сибири и на Дальнем Востоке, а также в восточной части европейской территории России. По окраске и размерам он очень изменчив; типична для него окраска, похожая на таковую у Lumbricus rubellus: довольно тёмная, вишнёво-красная, причём задний конец несколько светлее. Характерны два светлых пятна по бокам (на 9-11-м сегментах). Встречаются иногда и очень слабо окрашенные, почти совсем светлые черви. В Сибири эйзения Норденшельда достигает длины 25-30 см; в европейской части России он обычно мельче, всего 6-12 см. Интересно, что этот вид многочислен и в тундре, в районе вечной мерзлоты; не так давно он был найден даже на Ляховских островах, на вечных льдах.

Один из самых мелких видов (длина тела 2,5-6 см) семейства люмбрицид - эйзениелла четырёхгранная (Eiseniella tetraedra). Окраска его серовато-коричневая, с желтоватым оттенком; поясок с 22-23-го по 26-27-й сегмент; задний конец тела четырёхгранный. Это вид-амфибия, обитающий по берегам водоёмов, иногда его можно найти и в воде у берега (рис. 11).

Рис. 11. Эйзениелла четырёхгранная (Eiseniella tetraedra)

Итак, рассмотрев основных представителей люмбрицид, сведём все данные в сравнительную таблицу 1.

Таблица 1 - Сравнительная характеристика люмбрицид

Вид дождевого червя	Окраска	Длина тела, см	Расположение пояска, сегмент	Где обитает, характер ходов, глубина проникновения
Большой красный выползок	тёмно-красная с фиолетовым оттенком	до 30	с 32-го по 37-й	глубокие ходы, глубина проникновения до 2 м
Малый красный выползок	вишнёво-красная	до 15	с 27-го по 32-й	поверхностный слой почвы, ходы неглубокие
Пашенный червь	сероватая	до 15-16	с 27-го по 34-й	держится в толще почвы на глубине 5-16 см
Навозный червь	тёмно-красная или красновато-коричневая	до 6-10	с 22-го по 27-й	в скоплениях навоза, гнилой соломы, в старых трухлявых пнях, дуплах, в скоплениях прелых листьев, по берегам речек и ручьёв
Эйзения Норденшельда	тёмно-вишнёво-красная	до 25-30	с 22-го по 28-й	в толще почвы, глубокие ходы
Эйзениелла четырёхгранная	серовато-коричневая с желтоватым оттенком	до 2,5-6	с 22-23 по 27-й	по берегам водоёмов, в воде у берега

1.1.3 Экология дождевых червей

По особенностям экологии дождевых червей можно разделить на два типа: к первому относятся черви, питающиеся на поверхности почвы, ко второму - питающиеся в почве. В первом типе можно также выделить подстилочных червей, которые живут в слое подстилки и ни при каких обстоятельствах (даже при пересыхании или промерзании почвы) не опускаются в землю глубже 5-10 сантиметров. К этому же типу относятся почвенно-подстилочные черви, которые проникают в почву глубже 10-20 сантиметров, но только при неблагоприятных условиях, и норные черви, делающие постоянные глубокие ходы (до 1 метра и более), которые они обычно не покидают, а при питании и спаривании высовывают на поверхность почвы только передний конец тела. Второй тип можно разделить на роющих червей, живущих в глубоком горизонте почв, и норных червей, имеющих постоянные ходы, однако питающихся в гумусовом горизонте [14].

Подстилочные и роющие черви населяют места с переувлажнёнными почвами - берега водоёмов, болотистые почвы, почвы влажных субтропиков. В тундре и в тайге обитают лишь подстилочные и почвенно-подстилочные формы, а в степях - только собственно почвенные. Наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности дождевых червей предоставляют им хвойно-широколиственные леса: в этих зонах обитают все типы люмбрицид.

По образу жизни дождевые черви - ночные животные, и ночью можно наблюдать, как они копошатся повсюду в большом количестве, оставаясь при этом своими хвостами в норках. Вытягиваясь, они обшаривают окружающее пространство, захватывают ртом (при этом глотка червя слегка выворачивается наружу, а затем втягивается обратно) сырые опавшие листья и затаскивают их в норки.

Так как тело дождевых червей необыкновенно растяжимо, да к тому же покрыто слегка загнутыми назад щетинками, они держатся в норке так крепко, что вынуть их из земли, не разорвав на части, очень трудно. Большую часть дня черви остаются в своём жилище. Исключением из этого правила являются больные особи, заражённые личинками паразитической мухи. Такие животные бродят по поверхности почвы среди дня и умирают вне своих нор.

Дождевые черви всеядны. Они заглатывают огромное количество земли, из которой усваивают органические вещества, точно так же поедают они большое количество всевозможных полусгнивших листьев, за исключением очень твёрдых или обладающих неприятным для них запахом.

Полусгнившие или свежие листья втаскиваются червями через отверстия норок на глубину 6-10 сантиметров и там поедаются. Дарвин наблюдал, каким образом черви захватывают пищевые объекты. Если к поверхности земли в цветочном горшке приколоть свежие листья, то черви будут стараться утащить их к себе в норки. Обычно они отрывают маленькие кусочки, захватывая край листа между выдающейся верхней и нижней губой. В это время толстая мощная глотка выпячивается вперёд и тем самым создаёт верхней губе точку опоры. Если червь натыкается на плоскую большую поверхность листа, он действует по-другому. Передние кольца туловища немного втягиваются в последующие, за счёт чего передний конец тела расширяется, становится тупым с небольшой ямкой на конце. Глотка подаётся вперёд, прижимается к поверхности листа, а затем, не открепляясь, оттягивается назад и слегка расширяется. В результате, в ямке на переднем конце тела, приложенной к листу, образуется «вакуум». Глотка действует как поршень, и червь очень прочно присасывается к поверхности листа. Жилки листа червь никогда не трогает, а высасывает нежные ткани листьев [18].

Черви используют листья не только в пищу, но и затыкают ими входы в норки. С этой целью они также тащат в норы кусочки стеблей, завядшие цветки, обрывки бумаги, перья, клочки шерсти. Иногда из норы червя торчат пучки листовых черешков или перьев. Листья, втащенные в норки червей, всегда смяты или сложены в большое число складок. Когда втаскивается следующий лист, он помещается снаружи от предыдущего, все листья плотно складываются и сдавливаются друг с другом. Иногда червь расширяет отверстие своей норки или делает рядом другую, чтобы набрать ещё больше листьев. Промежутки между листьями черви заполняют влажной выброшенной из их кишечника землёй таким образом, что норки совершенно закупориваются. Такие закупоренные норки особенно часто встречаются осенью перед зимовкой червей. Листьями выстилается верхняя часть хода, что препятствует соприкосновению тела червя с холодной и мокрой землёй у поверхности почвы [14].

Дарвин описал также способы выкапывания норок дождевыми червями. Они делают это либо раздвиганием земли во все стороны, либо заглатыванием её. В первом случае червь просовывает узкий передний конец тела в щели между частицами земли, затем вздувает и сокращает его, и тем самым частицы почвы раздвигаются. Передний конец тела работает, как клин. Если земля или песок очень плотные, утрамбованные, червь не может раздвинуть частицы почвы и действует другим способом. Он заглатывает землю, и, пропуская её через себя, постепенно погружается в грунт, оставляя за собой растущую кучку экскрементов. Способность поглощать песок, мел и другие совершенно лишённые органики субстраты является необходимым приспособлением на тот случай, когда червь, погружаясь в почву от излишней сухости или холода, оказывается перед неразрыхлёнными плотными слоями грунта [18].

Норки червей идут или вертикально, или немного вкось. Практически всегда они выстланы изнутри тонким слоем чёрной переработанной животным земли. Комочки земли, выбрасываемой из кишечника, утрамбовываются по стенкам норки вертикальными движениями червя. Образованная таким образом выстилка становится очень твёрдой и гладкой и тесно прилегает к телу червя, а у загнутых назад щетинок есть прекрасные точки опоры, что позволяет червю очень быстро двигаться в норке вперёд и назад. Выстилка, с одной стороны, укрепляет стенки норки, с другой стороны, предохраняет тело червя от царапин. Норки, ведущие вниз, заканчиваются обычно расширением, или камерой. Здесь черви проводят зиму, поодиночке или сплетаясь в клубок по нескольку особей. Норка обычно выстлана мелкими камешками или семенами, что создаёт прослойку воздуха для дыхания червей.

После того, как червь заглатывает порцию земли, независимо от того, сделано это для питания или для прокапывания хода, он поднимается к поверхности, чтобы выбросить из себя землю. Выброшенная земля пропитана выделениями кишечника и вследствие этого становится вязкой. Высохнув, комочки экскрементов затвердевают. Выбрасывается земля червём не хаотично, а поочерёдно в разные стороны от входа в нору. Хвост при этом работает, как лопата. В результате вокруг входа в норку образуется своеобразная башенка из комочков экскрементов. Такие башенки у червей разных видов имеют разную форму и высоту. Это может служить важным систематическим признаком в определении видов дождевых червей.

Когда червь высовывается из норки для выброса экскрементов, он вытягивает вперёд свой хвост, если же для собирания листьев, выставляет голову. Следовательно, черви обладают способностью переворачиваться в своих норках. Черви не всегда выбрасывают экскременты на поверхность почвы. Если они находят какую-то полость, например, около корней деревьев, в недавно вскопанной земле, то откладывают свои экскременты туда. Легко заметить, что пространство под камнями или упавшими стволами деревьев всегда заполнено мелкими катышками экскрементов дождевых червей. Иногда животные заполняют ими полости своих старых норок.

Дождевые черви в истории образования земной коры играли гораздо более важную роль, нежели это может казаться на первый взгляд. Почти во всех влажных местностях они многочисленны. Вследствие роющей деятельности червей поверхностный слой почвы находится в постоянном движении. В результате этого «перекапывания» частицы почвы перетираются друг о друга, новые слои грунта, выносимые на поверхность, подвергаются действию углекислоты и гумусовых кислот, что способствует растворению многих минеральных веществ. Образование гумусовых кислот обусловлено перевариванием дождевыми червями полуразложившихся листьев. Кроме того, проходя через кишечный тракт червей, земля и растительные остатки склеиваются кальцитом - производным углекислого кальция, выделяемого известковыми желёзками пищеварительной системы червей. Спрессованные сокращениями мышц кишечника экскременты выбрасываются наружу в виде очень прочных частиц, которые размываются значительно медленнее, чем такой же величины простые комочки земли и представляют собой элементы зернистой структуры почвы. Количество и масса экскрементов, образуемых ежегодно дождевыми червями, огромны. За сутки каждый червь пропускает через свой кишечник количество земли, примерно равное весу его тела, то есть 4-5 граммам. Ежегодно дождевые черви выбрасывают на поверхность земли слой экскрементов толщиной 0,5 сантиметра.

Таким образом, черви наилучшим образом подготавливают почву для произрастания растений: они разрыхляют её так, что не остаётся комочка крупнее, чем они могут проглотить, облегчают проникновение в почву воды и воздуха. Затаскивая листья в свои норы, они измельчают их, частично переваривают и смешивают с земляными экскрементами. Равномерно перемешивая почву и растительные остатки, они готовят плодородную смесь, подобно садовнику. Корни растений свободно продвигаются в почве по ходам дождевых червей, находя в них богатый питательный гумус. Нельзя не удивиться тому, что весь плодородный слой уже прошёл через тела дождевых червей и через несколько лет снова пройдёт через них.

Учёным удалось выделить из тканей червей ферменты, которые обладают мощными обеззараживающими и очистительными свойствами. Эти натуральные экологически чистые продукты уже используются для очистки труб и аппаратов в пищевой промышленности, для стирки, как моющие средства в больницах, ресторанах. Эффективны они оказались и в химчистках для очистки одежды от органических загрязнителей. Уже существуют автомобильные шампуни, легко очищающие кузов, а особенно решётки радиаторов от налипших насекомых. Появились шампуни для волос и даже зубная паста.

Сравнительно недавно британские учёные предложили использовать дождевых червей в качестве биоиндикаторов для выявления следов тяжёлых металлов в почве. Многие тяжёлые металлы приводят к изменению цвета дождевых червей: так мышьяк делает их ярко-жёлтыми, свинец - чёрными, а цинк - почти прозрачными. Благодаря этой особенности дождевые черви могут служить надёжными биоиндикаторами загрязнения почвы. Большая колония дождевых червей вместе с резистентными к тяжёлым металлам растениями способна эффективно очистить почву от вредных веществ.

Дождевые черви, как и многие другие животные, подвержены воздействию хозяйственной деятельности человека. Их численность сокращается из-за неумеренного употребления удобрений и пестицидов, вырубки деревьев и кустарников, под влиянием перевыпаса скота. В Красную книгу Российской Федерации уже занесены 11 видов дождевых червей, а в Красную книгу нашей Кемеровской области занесены два вида редких реликтовых дождевых червей: Эйзения Малевича (Eisenia malevici) [24], (рис. 12) и Эйзения салаирская (Eisenia salairica) [1], (рис. 13).

Рис. 12. Эйзения Малевича (Eisenia malevici)

Рис. 13. Эйзения салаирская (Eisenia salairica)

1.1.4 Роль дождевых червей в процессах почвообразования

Влияние дождевых червей на проветривание и дренаж почв. Наличие ходов дождевых червей в почве изменяет её свойства. Черви создают благоприятные условия для проникновения в почву воздуха и воды, составляющие непременные условия для жизни бактерий и грибков, деятельность которых играет ведущую роль в снабжении корневых систем высших растений необходимыми для них веществами: азотом, фосфором, калием и другими веществами. Дождевые черви содействуют осуществлению существенного звена в процессе круговорота азота, облегчая циркуляцию воздуха в почве и проникновение его в глубокие почвенные слои.

Полости, которые проделывают дождевые черви, представляют собой основные места обитания разных групп мелких почвенных животных, принимающих участие как в образовании перегноя, так и в его дальнейшей обработке.

Почвы, населённые дождевыми червями, обычно обильно пронизаны их ходами. Стенки ходов черви покрывают слоем слизи и испражнений, поэтому эти стенки с большим трудом поддаются разрушению водой [29].

В степных засушливых районах растениям приходиться добывать влагу с больших глубин и корням, чтобы достигнуть воды, необходимо пробиваться через толщу совершенно высохшего грунта. Как установлено Г.Н. Высоцким, корни дорастают до водоносных слоёв, пользуясь ходами червей. На глубине 2 м нет ни одного корня, который бы пробил себе дорогу самостоятельно; они идут внутри ходов дождевых червей. Часто корни спаиваются вместе внутри хода, так как они оказываются сдавленными окружающим их сухим грунтом [15].

Таким образом, деятельность червей обеспечивает важнейшие факторы почвенного плодородия - аэрацию и дренаж. Невентилируемые и недренируемые почвы лишены червей и агрономически очень низкого качества.

Влияние дождевых червей на перемешивание земли и вынос её на поверхность. Черви не только дренируют почву. Черви играют немалую роль в процессах перемешивания земли и её выноса на поверхность. После прохождения почвы через кишечник червей комочки почвы выбрасываются в виде копролитов (от. греч. kopros - навоз и lithos - камень). Копролиты представляют собой сферические или удлинённые комочки земли размером 1-5 мм. У свежевыброшенных копролитов гладкая поверхность; они могут склеиваться друг с другом в агрегаты размером до 20 мм и более. Копролиты выбрасываются червями в виде кучек высотой 3-15 мм, закрывающих обычно наружное отверстие хода червя, хотя значительная часть копролитов откладывается и в подземных ходах [17].

Перемешивание слоёв почвы идёт не только благодаря вынесению частиц почвы с глубины на поверхность, но и за счёт перемещения частиц из поверхностных слоёв в глубину. Это может происходить путём стекания вместе с водой размоченного дождём гумусного слоя по ходам дождевых червей, а также непосредственно путём откладывания испражнений в подземных ходах, подчас на большой глубине. Следует заметить, что перед свёртыванием в клубок при впадении в спячку в зимних и летних камерах обязательно опоражнивается кишечник, причём это происходит обычно неподалёку от камер, то есть на значительной глубине [26].

Таким образом, благодаря дождевым червям происходит перемешивание слоёв почвы. Заглатывание червями почвы и вынос её на поверхность представляет собой непрерывно идущий процесс образования нового поверхностного слоя, в котором частицы почвы с разных глубин оказываются тщательно перемешанными друг с другом.

Влияние дождевых червей на структуру и химический состав почв. Почва, проходя через кишечники дождевых червей, не только перемещается с одного места на другое, но и качественно меняется. Земля, проглоченная червём, перетирается в его желудке с листьями и другими растительными остатками, а также подвергается химической обработке при помощи веществ, выделяемых железами разных отделов кишечника. В результате, получается мелкая однородная пищевая кашица, из которой некоторая часть растворённых веществ всасывается клетками кишечника. Червь утилизирует, конечно, очень небольшую часть проглоченных веществ. Дождевые черви являются одновременно и потребителями, и производителями гумуса почв [30].

Более важны косвенные последствия внесения дождевыми червями в почву органических веществ. Химическими анализами подтверждено накопление в испражнениях червей аммиака, нитратов, фосфорной кислоты, кальция и магния.

Существенно также накопление в кишечнике червей кальция в виде биогенного кальцита. Присутствие биогенного кальцита способствует нейтрализации кислот в почве и изменяет её структурные свойства.

Важнейшее значение дождевых червей состоит в придании почве зернистой структуры. Механический анализ копролитов показывает, что по сравнению с исходной почвой в них содержится большее количество мелких, пылеватых частиц. Однако обнаружить их можно только после искусственного разрушения структурных отдельностей, в которые они слипаются в задних отделах кишечника. Отдельные комочки испражнений могут слипаться друг с другом. Многочисленные опыты подтверждают образование из мелкой почвы довольно крупных отдельностей неправильной формы. Главная особенность таких структурных отдельностей состоит в их высокой водопрочности, то есть способности противостоять размыванию водой. Очень вероятно, что это объясняется наличием каркаса из неразложившихся волокон растений. К тому же почвенные зёрнышки цементируются кристаллами окиси кальция и его углекислой соли [16].

Итак, дождевые черви придают почве зернистую структуру и изменяют её химический состав.

1.1.5 Калифорний красный червь и владимирский «старатель»

Калифорнийский красный червь был выведен в университете штата Калифорния в 1959 году американским врачом Т. Барретом (рис. 14). На собственной ферме он занимался разведением червей с целью повышения доходности своего хозяйства. Он исходил из понимания необходимости полнейшей утилизации всех органических отбросов, получающихся в хозяйстве, то есть отходов кухни, сада, огорода, а также опавшей листвы и тому подобных органикосодержащих отходов и использования их в качестве корма дождевым червям. Червей он выращивал в деревянных ящиках, заполненных землёй, навозом и отходами. Красный калифорнийский червь отличается от других видов способностью перерабатывать все виды органики, а также очень высокой плодовитостью (более чем в 100 раз) и долгожительством (продолжительность жизни их составляет более 16 лет). Важной особенностью калифорнийского красного червя была потеря инстинкта покидать место обитания даже при неблагоприятных условиях окружающей среды.

Результаты этих исследований не остались незамеченными. При помощи калифорнийских червей вот уже 15 лет перерабатывают мусор в Германии, Франции, Венгрии, Дании, Италии. Калифорнийский червь поедает опилки, гнилые овощи, ил сточных вод, а также отходы пищевых предприятий, кости, внутренности животных.

Рис. 14. Красный калифорнийский червь

В России разведением дождевых червей занимались с начала XX века. К этому делу внимание привлёк эффект роста урожайности выращиваемых культур в лабораторных условиях.

Развернувшаяся в СССР индустриализация и химизация вызвала пренебрежение к органической системе земледелия и к дождевым червям, как её главной составной части. Практически до середины 80-х годов никаких исследований по биотехнологии переработки навоза (и другой органики) в гумусное удобрение (биогумус, червекомпост) с помощью технологических дождевых червей не проводилось. Исследования впервые были осуществлены Анатолием Михайловичем Игониным во Владимирском государственном педагогическом институте (ВГПИ) в 1984 г. по теме: «Разработка методики культивирования местных разновидностей дождевых (компостных) червей с целью переработки навоза (и другой органики) в гумусное органическое удобрение». Он вывел свою технологическую породу компостных червей «старатель» (рис. 15), получил патент, на основе которого сейчас работает ОАО «Международная научно-производственная корпорация «Грин-ПИКъ».



Рис. 15. Черви технологической породы «старатель» и их коконы

Исследования проводили в лабораторных культиваторах: в 50-литровых алюминиевых кастрюлях - наплитных котлах (80 шт.), размещённых на стеллажах в отапливаемых помещениях, а также в бытовых 250-литровых эмалированных ваннах (50 шт.), размещённых в специально оборудованных залах отапливаемого подвального помещения. Такое оборудование позволило провести многовариантные исследования по культивированию червей и исследованию продуктов этой биотехнологии. Параллельно проводились исследования в открытом грунте в течение пяти лет. Это дало возможность определить все необходимые параметры по разведению (культивированию) червей и составить регламенты опытно-промышленной технологии переработки навоза (и другой органики) в гумусное органическое удобрение (биогумус, червекомпост) с помощью специализированных (технологических) дождевых червей для закрытых помещений (тепличных хозяйств) и для открытых грунтовых и бетонированных площадок [21].

Успех биотехнологии связывается прежде всего с подготовкой кормовой базы для быстроразвивающейся популяции червей. Компост для червей - их дом и пища. Поедая, они превращают его в гумусное органическое удобрение. Такого корма для размножающихся червей требуется много, и он должен отвечать определённым требованиям. Несоблюдение их может замедлить развитие червей или даже погубить их.

Для производства биогумуса в России в промышленных масштабах в основном используют красных калифорнийских червей. Продолжительность жизни их составляет до 16 лет, тогда как дикие черви живут до 4 лет. За время жизни красный калифорнийский червь даёт до 20 тысяч особей потомства, то есть около 1500 червей в год. Длина взрослого червя 5-8 см, диаметр - 3-5 мм, вес - 0,5-1,0 г.

В природе черви питаются отмершими частицами растений, перегноем почвы. В искусственных условиях необходима подготовка субстрата, в качестве которого используются различные виды органических отходов и их смеси.

Культивируемые компостные черви, в отличие от диких сородичей, имеют определённый ритм жизнедеятельности. В толще субстрата они погружаются на глубину 30-40 см, передвигаясь по вертикали и горизонтали. В поверхностном слое (0-5 см) они питаются, в среднем - откладывают коконы, в нижнем - испражняются.

Для успешного разведения червей необходимо соблюдение определённых требований к условиям среды их обитания:

1) оптимальная температура для размножения и развития червя от +19 до +25 єС (при температуре выше +38 єС и ниже +4 єС черви погибают);

2) влажность среды от 70 до 80%. Хотя черви и обладают способностью переносить высокий процент потери воды из организма, однако если влажность субстрата длительное время ниже 35%, черви могут погибнуть;

3) оптимальная реакция среды - нейтральная, pH=7,0. Допускается использование компоста с pH от 6,0 до 8,0. При реакции среды ниже pH=5,5 (кислая) и выше pH=8,5 (сильнощелочная) черви могут погибнуть;

4) при высокой влажности для дыхания червей необходимо обеспечение доступа кислорода. С этой целью уплотнившийся субстрат следует периодически рыхлить, стараясь не перемешивать при этом слои [21].

1.1.6 Качественная и количественная характеристика биогумуса

Биогумус - продукт переработки навоза, торфа красными калифорнийскими червями (таблица 2, рис. 16). Ценнейшее, широко известное органическое удобрение продлённого комплексного действия, содержащее кроме элементов питания растений стимуляторы роста, ферменты, антибиотики, аминокислоты и обильную полезную микрофлору. Благодаря его свойствам биогумус используют не только как удобрение, но и как средство восстановления истощённых и мёртвых почв. Внесение его в почву в весьма умеренных дозах (1-3 кг на м2) значительно повышает урожайность культур: зерновых - на 10-25%, овощных - на 25-40%. Качество продукции также возрастает. Особо следует отметить высокую технологичность биогумуса для внесения в почву, а также его способность значительно ускорять разложение органики, внесённой совместно с ним.

Таблица 2 - Качественная и количественная характеристика товарного биогумуса в соответствии с ТУ 0392-001-24620865-02

Массовая доля влаги, %	25 - 60
Массовая доля органического вещества, %	30 - 70
Гумус, %	10 - 25
Гуминовые кислоты, %	2,5 - 10
Фульвокислоты, %	1.3
Кислотность, рН	6,8 - 7,2
Общий азот, %	1 - 4
Общий фосфор, %	1 - 5
Общий калий, %	0,5 - 2
Общий магний, %	0,5 - 1,5
Общее железо, %	0,4 - 2
Общая сера, %	0,1 - 0,5
Марганец, млг/кг	250 - 1000
Цинк, млг/кг	50 - 600
Медь, млг/кг	15 - 250
Бор, млг/кг	15 - 250

Объём нетто - 2,5 л.

Рис. 16. Биогумус (вермикомпост) - продукт переработки красных калифорнийских червей

О предприятии-производителе: ОАО «Сибирский торф» создано в апреле 1993 г. Учредителями ОАО «Сибирский торф» являются: СИБИРСКИЙ НИИ ТОРФАСО АН РФ г. Томск, «РОСНАУЧИННОВАЦЕНТР» г. Москва, физические лица. В потенциале ОАО «Сибирский торф» технологии по переработке торфа: производство стимулятора роста растений «Гумат натрия +NPK», высокоэффективное органическое удобрение «вермикомпост» (биогумус) - продукт переработки органики калифорнийскими червями, энтеросорбент ЭСТ-1, рассадочные и цветочные грунты на основе низинного торфа, с добавлением вермикомпоста, природного цеолита, минеральных удобрений и микроэлементов, органические удобрения.