Способность созревающего навоза к самонагреванию известна чрезвычайно давно.
На этом основании навоз используют в парниковом хозяйстве, где он является началом, согревающим грунт, на котором произрастают растения.
Без сомнения, можно утверждать, что самонагреванием навоза пользовались в те времена, когда не возникали предположения о сущности данного явления. Еще в древности крестьяне обкладывали жилища навозом для утепления. Разогревание навоза в хранилищах используется и в настоящее время для обогревания скотных дворов.
При разложении хранящегося навоза по внешним признакам могут быть установлены три стадии (Вильямс).
В течение первой стадии навоз сильно разогревается, на все его форменные элементы сохраняют еще свою структуру. В частности, солома не теряет своего блеска и выдергивается из кучи, не разрываясь. Эта фаза обычно длится около двух недель.
Для следующей стадии характерно понижение температуры, которое продолжается от нескольких недель до нескольких месяцев. Навоз за это время превращается в полуперепревшую массу. Солома теряет блеск и цвет. Она легко обрывается при выдергивании из навоза.
В последующую, третью, стадию навоз превращается в черную плотную массу, не содержащую форменных элементов.
При достаточно интенсивном разогревании навоза в нем уничтожаются неспороносные возбудители различных заболеваний (паратифов, сана, ящура, рожи свиней, чумы свиней, холеры кур и т. д.). В некоторых случаях наблюдалась гибель даже спорообразующих бактерий, вызывающих инфекции у животных и человека. Это позволяет использовать самонагревание навоза для его обеззараживания.
Переходя к разбору условий, имеющихся в навозе для микроорганизмов, мы прежде всего должны отметить богатство его питательными веществами. Это обеспечивает размножение в навозе весьма разнообразных по физиологическим требованиям микроорганизмов.
Навоз различных животных неодинаково богат легкоподвижными органическими материалами. Например, конский навоз содержит значительно больше азотистых веществ, чем навоз рогатого скота. Это объясняет, почему конский навоз легче и сильнее разогревается; его температура нередко повышается почти до 80°. Напомним, что о роли азотсодержащих веществ в явлениях термогенеза мы говорили в соответствующем месте.
Разогревание навоза, как и других органических материалов, в сильнейшей степени зависит от доступа к нему воздуха. Это было чрезвычайно наглядно показано в старых опытах Гейона. Он хранил одну партию навоза в уплотненном состоянии, поместив ее в плотный ящик. Другая же партия этого навоза была положена в аналогичный по размеру, но продырявленный со всех сторон ящик.
В практических условиях разогревание навоза в значительной степени определяется плотностью его укладки. Так, если навоз хранится под скотом, то он сильно уплотняется и греется меньше. Разогревание навоза в навозохранилищах также зависит от того, насколько он плотно уложен.
Как уже отмечалось, конский навоз, более богатый азотом, разогревается быстрее и дает более высокую температуру. Смешивая навоз от различных животных, можно обеспечить в парниках равномерный длительный нагрев.
При изготовлении так называемого «благородного» навоза по методу Кранца добиваются разогревания его до 60°. Для этого навозохранилище наполняется навозом послойно. Привезенный навоз рыхло складывают и оставляют на несколько дней, пока температура в нем не поднимется до 60°. После разогревания этот слой уплотняют и покрывают следующим, которому также дают нагреться, а затем его уплотняют. Таким образом заполняется все навозохранилище.
Кранц предполагал, что во время самонагревания уничтожаются мезофильные микроорганизмы, а после охлаждения в навозе не могут размножаться термофилы, поэтому в процессе основного хранения в навозе не происходят микробиологические превращения органических веществ. Однако уже на примере компостов нами было показано, что весьма высокий нагрев переносится некоторым количеством зародышей мезофилов, которые после охлаждения компостируемой массы начинают вновь в ней размножаться. Совершенно аналогичное явление наблюдается и в навозе, приготовленном по способу Кранца. Отсюда следует, что предпосылки, развитые Кранцем, были неверны, а название горячим способом приготовленного навоза «благородным» (из-за отсутствующих в нем брожений) — неточно.
Как указывает Прянишников, в плотно сложенном навозе накопляется больше аммиачных солей, определяющих эффективное действие навоза в первый год его применения. Это также говорит о нецелесообразности использования метода Кранца, который и в техническом отношении сложнее обычного способа хранения навоза. К горячему методу приготовления навоза по Кранцу рекомендуют прибегать лишь в случае необходимости обезвреживания навоза от гельминтов и некоторых патогенных микробов. Способ Кранца оправдывает себя также при наличии в хозяйстве соломистого навоза, который быстрее перепревает при известном повышении температуры.
Семена сорняков погибают в горячем навозе примерно так же, как и при обычном приеме его хранения. По данному признаку способ Кранца каких-либо существенных преимуществ не имеет.
Говоря об условиях, создающихся в различных слоях плотно хранящегося навоза, следует упомянуть о данных Дегерена по газовому составу воздуха навозных куч. Кислород во всех слоях навоза полностью потребляется, замещаясь углекислым газом. В нижних слоях не имеется азота, что косвенно показывает на отсутствие проникновения туда воздуха. Метаном, как и следовало ожидать, более богаты нижние слои навоза.
Термофильные микроорганизмы навоза были изучены Буррилем (Burrill) в 1884 г. Он выделил из навоза два вида термофильных бактерий, развивавшихся еще в интервале 60—70°.
О значительной роли термофилов при созревании навоза и самонагревании сена было указано Шлезингом (Schloesing, 1892). В лабораторных опытах он показал, что еще при 72.5° могло идти анаэробное брожение. При 80° оно останавливалось. Собранные им газы состояли на 50% из метана и на 50% из углекислоты.
Принципиальные установки Шлезинга были подтверждены и развиты Коном (Cohn, 1893), который приписывал бактериальному фактору большую роль в явлениях самонагревания органических масс, в том числе и навоза. Он предполагал, что самонагревание может вызываться особой группой микроорганизмов, которая была им названа «термогенной». Эти микробы причислялись им к термофилам, хотя большая часть их являлась термотолерантами.
Дюпон (Dupont, 1902) выделил из навоза Bac. thermophilus grignoni, имевшего оптимум развития около 50°. В греющемся навозе он нередко находил термофильные формы Bac. subtilis и Bac. mesentericns.
Значительно позднее появилось исследование Гетерса (Goeters, 1927), отметившего нарастание термофилов в навозе, который выдерживался при повышенной температуре в термостате.
К этому же времени относятся пространные исследования Рушмана (Ruschmann, 1927) по микробиологии навоза. По его данным, наибольшее количество термотолерантных и термофильных микроорганизмов, развивающихся при 55°, находится в навозе в период его разогревания. После снижения температуры обсемененность навоза бактериями, склонными к термобиозу, сильно уменьшается. Аналогичную картину мы отмечали, разбирая вопрос о динамике термофилов в компостах. Рушман установил, что из числа теплолюбивого микробного населения в навозе явно преобладают термотолерантные формы; облигатных же термофилов имеется немного. При 52° в навозе могли еще развиваться некоторые разновидности Bac. mesentericus, Bac. vulgatus и Bac. subtilis.
В Советском Союзе обстоятельная работа по микробиологии навоза была проведена в Институте сельскохозяйственной микробиологии ВАСХНИЛ. Эти исследования, на которых мы останавливаемся более подробно ниже, также показали богатство навоза термофильной микрофлорой.
Несколько позднее были опубликованы материалы Ваксмана с сотрудниками (1939). В них значительное внимание было уделено термофильной микрофлоре навоза.
Динамика термофильных микроорганизмов в навозе была прослежена в работах Былинкиной и Макаровой, а также Рушмана. Они пришли по существу к тождественном выводам, и мы остановимся лишь на исследованиях первых из упомянутых микробиологов.
Былинкина и Макарова учитывали термофилы в навозе, делая высевы его болтушки на М. П. А. и проращивая бактерии при 54—55°. Из их данных следует, что свежий навоз содержит ничтожное число бактерий, растущих при 55°. При повышении температуры числа этих бактерий значительно увеличивается, достигая 6—7 млн. на 1 г навоза. Обогащение навоза термофилами стоит в прямой зависимости от степени его разогревания. Поэтому более беден термофилами навоз, хранящийся под ногами сельскохозяйственных животных.
Изучая весьма многие образцы навоза, Былинкина и Макарова пришли к заключению, что большая часть теплолюбивых бактерий навоза относится к термотолерантным формам. На самом деле, если на чашках Петри при 55° вырастало 3—9 млн. бактерий, то высев этих же болтушек, выращенный при 65°, давал только 50—90 тыс. бактерий на ту же навеску. Из термотолерантных бактерий в навозе особенно часто обнаруживался Bac. mesentericus. Аналогичное соотношение температурных групп бактерий мы отмечали и в компостах.
Мы исследовали значительное число образцов навоза, взятого из различных хозяйств. Число термофилов в них колебалось обычно от 1 до 10 млн. на 1 г.
Совокупность приведенных материалов показывает, что с навозом и компоста ми в почву вносится большое число термофильных микроорганизмов. Если мы возьмем весьма скромную цифру бактериального населения навоза в 100 млн. бактерий на 1 г, то, исходя из наших данных, можно ожидать среди них наличия примерно 1 млн. теплолюбивых микроорганизмов. С навозным удобрением в 32 т на га вносится 3 200 000 млрд. бактерий, в том числе 32 000 млрд. термофилов. Если принять вес пахотного горизонта за 5 000 000 кг, то на каждый грамм земли придется 600 тыс. бактерий, из которых 6 тыс. термофилов.
Таким образом, даже разовое удобрение почвы навозом» весьма заметно увеличивает число мезофильных и термофильных микробов в почве.
Если считать, что в неудобренной почве термофилов вовсе не содержится, то после унавоживания их число должно возрасти примерно до 0.3% от состава мезофильной микрофлоры почвы. Более интенсивное удобрение почвы навозом может привести к значительной обсемененноети ее теплолюбивыми микроорганизмами. В силу этого, например, в огородных почвах содержание термофилов возрастает до 3% и даже до 9% от числа общего сапрофитного микронаселения.
Роль термофильных микроорганизмов в навозе совершенно очевидна. При повышенной температуре, когда мезофильные микробы оказываются не в состоянии развиваться и активно проявлять биохимическую деятельность, всевозможные процессы проводятся теплолюбивой микрофлорой. Мы уже отмечали, что эти живые существа чрезвычайно быстро размножаются, поэтому вызываемые ими трансформации органических и минеральных веществ протекают гораздо быстрее, чем процессы, осуществляемые мезофилами. Навоз, как правило, хранящийся в относительно уплотненном состоянии, теряет меньше органических веществ при созревании, чем компосты. По данным Помаского, убыль сухого вещества в навозе за 6 месяцев его хранения составляет 17—21%. При созревании навоза в нем значительно возрастает содержание перегнойных соединений. Так как минеральных веществ при хранении навоза теряется меньше, чем органических, то он относительно обогащается основными питательными для растения соединениями (особенно калием и фосфором).
В заключении следует отметить, что при изготовлении искусственного навоза из соломы, удобренной минеральными солями, широко пользуются методом Кранца, обеспечивающим при наличии повышенной температуры быстрое получение полноценного удобрительного материала.