Статистическая оптимизация устойчивого состава удобрений на основе личинок черной львинки как источника азота

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20505 (2022) Цитировать эту статью

1409 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящей работе была исследована статистическая оптимизация устойчивого покрытия для NPK (азотно-фосфорно-калийных) удобрений типа «ядро-оболочка». Экологическое зеленое покрытие было обогащено азотом с использованием биомассы и возобновляемого источника, а именно богатой азотом фракции личинок черной львинки (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae), выращенных на растительных отходах. Был предложен рациональный подход с целью расчета наилучшей рецептуры покрытия, учитывая как его технологические характеристики, такие как адгезия к сердцевине, так и его физические свойства, такие как однородность или пластичность. С точки зрения экономики замкнутого цикла, вместе с богатой азотом фракцией из BSFL (от 51 до 90 мас.%), для рецептуры покрытия рассматривались вода и глицерин в разных пропорциях: от 10 до 32 мас.% и от 0 до 17 мас.%. мас.% соответственно. Методика «Планирование экспериментов» была реализована с целью ограничения общего количества испытаний рецептуры покрытия (18 испытаний). ANOVA использовался с целью получения математических моделей для получения более точной и объективной формулировки. Результаты показывают, что можно избежать использования глицерина, а также необходимо только ограниченное количество воды (11 мас.%) для получения оптимизированного состава покрытия, после чего удовлетворяющего более актуальным технологическим и физическим свойствам для производства покрытия. .

Ожидается, что население планеты достигнет 9,7 миллиардов человек в 2050 году и 10,9 миллиардов человек в 21001 году. превращают от 1,8% до 4,6% мировых земель в засушливые земли, от чего страдают более 270 миллионов человек2. В настоящее время возделываемые земли также будут испытывать растущее давление, вызванное урбанизацией3 и, как следствие, более интенсивной эксплуатацией4. Кроме того, на деятельность, связанную с сельским хозяйством и землепользованием, пришлось 71% выбросов парниковых газов (ПГ) от системы производства продуктов питания в 2015 году, поэтому важно укреплять устойчивость и эффективность сельскохозяйственной системы5,6.

В этом контексте удобрения, и в частности «экологически чистые удобрения» (EFF), являются одним из основных столпов современного сельского хозяйства, поскольку они позволяют колоссально увеличить урожайность сельскохозяйственных культур на единицу земли, обеспечивая растения основными питательными веществами, необходимыми для их рост7,8,9,10. Для производства EFF обычно отдают предпочтение природным, природным или органическим материалам, поскольку они оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, легко доступны и могут помочь избежать или ограничить попадание загрязняющих веществ в почву по сравнению с полимерами, полученными из нефти11,12. 13. Кроме того, они могут иметь и другие положительные характеристики, такие как увеличение содержания органического вещества в почве или обогащение почвы определенным питательным веществом11,14. Однако материалы, используемые для производства EFF, имеют ряд недостатков, которые препятствуют их распространению, например, производственные процессы часто сложны или дороги, а условия окружающей среды оказывают неизвестное влияние на реальные модели высвобождения питательных веществ12,15,16.

Среди макроэлементов растений азот является одним из наиболее требовательных, поскольку для удобрений на основе мочевины характерны потери от 40 до 70%17. Эти потери являются причиной нескольких процессов загрязнения, поскольку грунтовые воды загрязнены выщелоченными нитратами, а атмосфера подвергается как улетучению NH3, так и выбросам парниковых газов, таких как N2O18,19,20,21. С другой стороны, удобрения на основе аммиака чрезвычайно вредны для окружающей среды, поскольку на каждые 1000 кг полученного NH3 образуется 2000 кг CO2, а весь процесс производства зависит от использования природного газа22. В этом контексте необходим альтернативный источник азота, и возможный источник может быть определен в переработке органических отходов, в то же время частично решая экологические проблемы, возникающие в результате утилизации органических отходов23,24,25,26 ,27,28. Среди биологических или химических методов переработки органических отходов использование личинок черной львинки (BSFL) (Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae) считается эффективным и безопасным инструментом биоконверсии для их переработки29,30,31. Фактически, когда рассматривается повышение ценности побочных продуктов или отходов, довольно часто необходимо использовать их ценность с точки зрения макронутриентов путем преобразования из-за физических (форма и размеры) и биологических-химических (наличие макронутриентов) ограничений. BSFL были предложены для эффективной переработки биоотходов, поскольку их действие приводит к заметному снижению первоначального веса отходов (до 68% от исходной сухой массы32), ингибированию патогенов, таких как сальмонелла33,34, снижению выбросов парниковых газов35 и выбросов неприятных запахов36 при по сравнению со стандартными процедурами компостирования. Кроме того, BSFL обладают высокоэффективной конверсией корма, что приводит к получению ценной биомассы, богатой азотом (30–50 мас.%) и липидами (21–40 мас.%)37, состав которых варьируется в зависимости от используемых органических отходов. или стратегию ферментации с использованием специальных добавок, таких как промышленные флокулянты, и устройств, таких как искусственное освещение38,39,40,41,42. Из этого следует, что богатая азотом фракция BSFL, содержащая в основном белок и хитин, может представлять собой ценный источник органического азота, полезный для роста сельскохозяйственных культур, а затем для производства дешевых и устойчивых органических удобрений43. Однако действующее европейское законодательство накладывает некоторые ограничения на тип органических субстратов, которые будут использоваться для биоконверсии BSFL, запрещая использование навоза и любых субстратов, официально признанных «отходами», в качестве корма для животных44. В частности, остатки фруктов и овощей, судя по всему, квалифицируются как побочные продукты в соответствии со статьей 184-bis итальянского законодательного декрета № 152 от 2006 года. остаток как побочный продукт. Четырьмя условиями являются: (a) остатки происходят в результате производственного процесса, неотъемлемой частью которого они являются и основной целью которого не является производство таких остатков; (b) дальнейшее использование вещества или предмета несомненно; (c) вещество или предмет можно использовать непосредственно без какой-либо дополнительной обработки, кроме обычной производственной практики; (d) дальнейшее использование является законным, т.е. вещество или объект отвечает всем соответствующим требованиям к продукту, защите окружающей среды и здоровья для конкретного использования и не приведет к общим неблагоприятным воздействиям на окружающую среду или здоровье человека. Если остаток соответствует четырем условиям, его можно квалифицировать как побочный продукт и можно свободно использовать повторно без необходимости получения разрешений и без соблюдения режима контроля и отслеживания отходов. Более того, остатки фруктов и овощей, используемые в этой работе, по-видимому, могут подпадать под определение «корма» (или «кормового материала») в Регламенте (ЕС) № 178/2002 (Статья 3(4)): «любое вещество или продукт, включая добавки, обработанные, частично обработанные или необработанные, предназначенные для перорального кормления животных». По этой причине эти остатки не могут состоять из «твердых городских отходов, таких как бытовые отходы» из-за прямого запрета в Регламенте (ЕС) № 767/2009, ст. 6, Приложение III (№ 6), однако они могут быть получены только в результате промышленной деятельности (ЕВРОПЕЙСКИЙ ПАРЛАМЕНТ, 2009; ЕВРОПЕЙСКИЙ ПАРЛАМЕНТ, 2002).