黑水虻堆肥促畜禽糞便分解的研究進(jìn)展

陸麗珠，鄧 盾，馬 平，胡旭進(jìn)，李劍豪，馬現(xiàn)永，胡文鋒，胡 斌

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所/畜禽育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省動(dòng)物育種與營(yíng)養(yǎng)公共實(shí)驗(yàn)室/廣東省畜禽育種與營(yíng)養(yǎng)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.安順市畜牧技術(shù)推廣站，貴州 安順 561000；4.金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 金華 321000）

隨著人口增多，畜禽養(yǎng)殖業(yè)高速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2050年，全球奶類(lèi)和肉類(lèi)的需求量將比2010年分別增長(zhǎng)70%和58%［1-2］，隨之而來(lái)的是大量畜禽糞便的產(chǎn)生，如處理不當(dāng)易造成土壤、空氣、水污染等［3-4］。根據(jù)第一次全國(guó)污染源調(diào)查，2007年我國(guó)大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生糞便2.43億t；2017年農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國(guó)每年畜禽糞污產(chǎn)生量約38億t，綜合利用率不足60%［5-6］，造成日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。目前堆肥主要以自然堆肥為主，自然堆肥成本低、易操作，但存在處理規(guī)模小、占地面積大、腐熟慢、效率低、易受天氣影響等問(wèn)題，不能滿足對(duì)大批量畜禽糞便進(jìn)行高效率、高質(zhì)量的處理［7］。隨著畜禽糞便數(shù)量越來(lái)越多，迫切需要開(kāi)發(fā)一種能高效減少?gòu)U物并環(huán)保安全的新型糞便處理技術(shù)，以確?？沙掷m(xù)利用養(yǎng)分并減輕對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)滿足畜牧業(yè)的未來(lái)需求。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于處理畜禽糞便的研究，主要是利用資源昆蟲(chóng)進(jìn)行堆肥，其中對(duì)亮斑扁角水虻（又叫黑水虻，Black Soldier Fly，BSF）的研究最多［8-10］。本文綜述了目前畜禽糞便處理的常見(jiàn)方法，并歸納分析利用黑水虻加速糞便分解的方法，以期為高效、統(tǒng)一、工業(yè)化處理畜禽糞便提供理論基礎(chǔ)。

1 畜禽糞便的特點(diǎn)

畜禽糞便中含有豐富的有機(jī)物和氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等多種礦物質(zhì)及微量元素，可以滿足作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)多種養(yǎng)分的需要［11-12］。從表1可見(jiàn)，不同的畜禽糞便有不同含量的營(yíng)養(yǎng)成分［13］。在過(guò)去畜禽糞便常被用來(lái)增加農(nóng)作物的產(chǎn)量并改善土壤的化學(xué)和物理性質(zhì)［14］，大多直接就地施用。據(jù)1976年統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)時(shí)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)1/3以上的肥料由畜禽糞便提供。研究發(fā)現(xiàn)，畜禽糞便雖然具有許多有益養(yǎng)分，可作為化學(xué)肥料的有機(jī)替代品，但不可直接作為肥料作用于農(nóng)作物上，也不可直接作為飼料飼喂動(dòng)物，未經(jīng)處理直接使用會(huì)導(dǎo)致很多污染問(wèn)題。在水源方面，畜禽糞便作為肥料施用后，糞便中的氮、磷易從耕地中流失，如流進(jìn)河流池塘等會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化［15］。在大氣方面，未腐熟的糞便會(huì)在大自然的光、熱及微生物作用下分解，分解過(guò)程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生甲烷、氨氣等溫室氣體［16］。同時(shí)未經(jīng)處理的畜禽糞便含有硫化氫和胺等伴有惡臭氣味的有害氣體，如不能及時(shí)處理，惡臭氣味會(huì)滋生蚊蟲(chóng)、細(xì)菌，甚至惡化大氣質(zhì)量。在安全性方面，未腐熟的禽畜糞便大多都是有機(jī)態(tài)或緩釋狀態(tài)，直接作為肥料不僅不利于農(nóng)作物直接吸收，還會(huì)造成植物生存環(huán)境變差，農(nóng)作物不能吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被其他雜草和害蟲(chóng)等奪取吸收。只有通過(guò)腐熟才能將糞便中復(fù)雜、不穩(wěn)定的有機(jī)成分分解轉(zhuǎn)化為速效態(tài)的簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)成分，才能快速被植株吸收［17］。同時(shí)禽畜糞便還含有有毒重金屬、抗生素和病原微生物等有毒有害物質(zhì)［18-20］，未經(jīng)處理直接進(jìn)入農(nóng)田，不僅影響植物健康生長(zhǎng)，導(dǎo)致病蟲(chóng)害發(fā)生，還會(huì)影響農(nóng)作物的正常產(chǎn)出，人們食用后甚至?xí)绊懮眢w健康［18］。

表1 常見(jiàn)畜禽糞便的養(yǎng)分含量［13］Table 1 Nutrient content of common livestock and poultry manure （g/kg）

2 無(wú)害化處理糞便的常見(jiàn)方法

目前畜禽糞便主要作為肥料、飼料和沼氣進(jìn)行二次利用。畜禽糞便的無(wú)害化處理方法較多，主要有干燥處理、好氧堆肥、沼氣發(fā)酵等［4,18,21-34］（表2）。從表2可知，干燥處理成本較低，但處理后的畜禽糞便損失較多的營(yíng)養(yǎng)成分。好氧發(fā)酵糞便最終產(chǎn)物臭氣少，且較干燥，容易包裝、施用，可作為土壤改良劑或有機(jī)肥料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但好氧發(fā)酵糞便周期長(zhǎng)、處理技術(shù)單一，不可及時(shí)處理產(chǎn)生的大批量畜禽糞便。沼氣發(fā)酵處理畜禽糞便可實(shí)現(xiàn)無(wú)害和減量的目標(biāo)，但難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和規(guī)范處理，不可快速處理大量畜禽糞便。

表2 無(wú)害化處理畜禽糞便的常見(jiàn)方法Table 2 Common methods for the harmless disposal of livestock and poultry manure

3 利用黑水虻處理畜禽糞便

處理畜禽糞便最常用的方法是有氧堆肥［24-32］，為了解決常用堆肥方法周期長(zhǎng)、處理技術(shù)單一的問(wèn)題，目前許多科學(xué)家致力于昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)化禽畜糞便的研究，旨在消除污染的同時(shí)，以禽畜糞便為底物生產(chǎn)昆蟲(chóng)蛋白源飼料。自然界中有許多昆蟲(chóng)的幼蟲(chóng)以禽畜糞便為食，例如家蠅、糞蠅、麗蠅、水虻等，但除了黑水虻外，其他昆蟲(chóng)種類(lèi)大都攜帶病菌或蛹化后會(huì)給周?chē)h(huán)境帶來(lái)污染，存在危害人類(lèi)健康的風(fēng)險(xiǎn)［35］。黑水虻幼蟲(chóng)（Black Soldier Fly Larvae, BSFL）處理畜禽糞便，能分解糞便中的有機(jī)質(zhì)，減少糞便干物質(zhì)以及病原體等，同時(shí)降低糞便中惡臭氣味的排放水平［21］，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。目前關(guān)于黑水虻處理畜禽糞便的研究主要以增加BSFL生物量為目標(biāo)，以廉價(jià)的畜禽糞便為原料生產(chǎn)價(jià)值高的昆蟲(chóng)蛋白［15,36-39］，較少的研究以促進(jìn)糞便分解、減少畜禽糞便干物質(zhì)的質(zhì)量為主要目標(biāo)。利用黑水虻處理糞便時(shí)，當(dāng)BSFL產(chǎn)生量最大時(shí)，糞便里的有機(jī)質(zhì)卻不一定完全被BSFL分解，有可能是黑水虻的接種量不夠?qū)е滦笄菁S便的有機(jī)質(zhì)大量剩余，繼續(xù)增加BSFL的接種量，畜禽糞便還可繼續(xù)被分解。根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于畜禽糞便處理的研究，綜述幾種利用黑水虻堆肥處理畜禽糞便并促進(jìn)畜禽糞便分解的方法。

3.1 控制BSFL接種量

傳統(tǒng)堆肥方法的周期較長(zhǎng)，夏季需要至少2個(gè)月才能使糞便腐熟，冬季則需3～4個(gè)月。為了加速堆肥的過(guò)程，人們尋求高效分解劑，從而縮短堆肥過(guò)程，BSFL就是其中一種。BSFL可以有效地將糞便轉(zhuǎn)化為肥料，同時(shí)保持加速堆肥的過(guò)程并提高最終堆肥的質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，BSF通過(guò)以畜禽糞便、餐廚垃圾為食，可轉(zhuǎn)化為蛋白含量豐富的BSFL，具有生長(zhǎng)速度快、轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)勢(shì)。Liu等［40］將BSFL接種到3種不同類(lèi)型的糞便中，以未接種BSFL的3種糞便作對(duì)比，堆肥9 d，結(jié)果表明，BSFL的接種改善了總養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的降解，BSFL堆肥對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解率為20.31%～22.18%，顯著增加了總磷、總凱氏氮和總營(yíng)養(yǎng)素。BSFL作為高效轉(zhuǎn)化劑用于將有機(jī)肥料轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定堆肥，特別適用于發(fā)展中國(guó)家［41］。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，利用BSFL堆肥可顯著增加糞便的分解量。Bortolini等［42］將BSFL接種到雞糞中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BSFL可以極大減少雞糞的初始量，初始雞糞質(zhì)量減少了75%以上，并有利于其作為昆蟲(chóng)生物量和類(lèi)似堆肥剩余物的總回收和利用，從而B(niǎo)SFL堆肥成為清潔、可持續(xù)管理雞糞的有用工具。

BSFL被用作不同肥料堆肥的接種物，可以加速堆肥過(guò)程并提高最終堆肥質(zhì)量。適量的BSFL接種量可加速堆肥的分解速率。接種量過(guò)高或過(guò)低，BSFL分解畜禽糞便的效率都會(huì)受到影響。接種量過(guò)低，糞便里的有機(jī)質(zhì)分解不完全；接種量過(guò)大，糞便里的有機(jī)質(zhì)可完全被分解，但需要耗費(fèi)更高的成本。鐘志勇等［43］將孵化好的9日齡BSFL按不同投放量（0.3、0.35、0.4 g）接種到5 kg新鮮鴨糞中，待5%BSFL蛹化時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。結(jié)果顯示，處理1 t鴨糞，BSF適宜投放量是60～70 g蟲(chóng)卵對(duì)應(yīng)的幼蟲(chóng)。陳海洪等［44］將不同投放量的3齡（7～8 日齡）BSFL（0.8、1.0、1.2 g）接種到10 kg新鮮豬糞中，結(jié)果顯示，0.8 g BSFL處理組的各個(gè)指標(biāo)均高于其他處理組，對(duì)豬糞的利用率最高。

3.2 根據(jù)糞便類(lèi)型調(diào)整糞便用量

不同的畜禽糞便含有不同的營(yíng)養(yǎng)成分，因此利用BSFL處理糞便時(shí)，為得到最大的糞便分解量，需要根據(jù)糞便類(lèi)型調(diào)整糞便用量。Myers等［45］每天給300頭4日齡的BSFL分別喂食27、40、54、70 g牛糞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每天飼喂27 g牛糞的BSFL，可使糞便干物質(zhì)質(zhì)量減少58%，而每天飼喂70 g牛糞的BSFL，糞便干物質(zhì)質(zhì)量?jī)H減少33%。Miranda等［46］給300頭4日齡的BSFL喂食27 g和40 g牛糞，結(jié)果表明，飼喂更多牛糞的BSFL發(fā)育時(shí)間縮短了，從幼蟲(chóng)發(fā)育到成蟲(chóng)的體重也增大了，但減少了資源消耗，干物質(zhì)的減少量降低了22%；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，整個(gè)飼喂率的差異較顯著，可能是由于密度（100頭幼蟲(chóng)對(duì)300頭幼蟲(chóng)）和進(jìn)食頻率（每天或隔天進(jìn)食）的差異所致，因此給BSFL提供適宜的糞便含量還需考慮飼喂密度和BSFL的進(jìn)食頻率。楊安妮等［47］采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同比例的雞糞飼料，發(fā)現(xiàn)BSFL對(duì)20%的雞糞的消耗最大，對(duì)100%雞糞的消耗反而最低。馬加康等［48］用含不同比例的新鮮鴨糞飼養(yǎng)4日齡BSFL，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鴨糞含量為0%～60%，BSFL對(duì)糞便消耗及利用率均隨著鴨糞含量的增加而增加，而鴨糞含量在70%以上時(shí)，糞便的消耗逐漸減少，得出鴨糞添加量在60%時(shí)，BSFL對(duì)鴨糞的消耗達(dá)到最大。Rehman等［49］建立了6種不同比例的牛糞和雞糞混合物（DM0、DM20、DM40、DM60、DM80、DM100），其 中DM0僅含有雞糞，DM100僅具有牛糞，分別將6日齡的BSFL接種到糞便混合物中進(jìn)行共消化，結(jié)果顯示各種糞肥混合飼料中糞便質(zhì)量減少的百分比顯著增加。牛糞和雞糞混合為BSFL帶來(lái)更好的消化性能。在共消化的混合物中，DM20和DM40比其他肥料混合物顯示出更好的結(jié)果，以40%牛糞和60%雞糞混合（DM40）最佳，DM40既滿足對(duì)營(yíng)養(yǎng)豐富的幼體產(chǎn)量的要求，又滿足有機(jī)物質(zhì)量的降低要求。牛糞與雞糞共消化提供了一種同時(shí)管理多種廢物流的方法，同時(shí)有利于畜禽糞便干物質(zhì)的減少和生物轉(zhuǎn)化，以及提高BSFL存活率并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間［46］。有關(guān)畜禽糞便添加量與BSFL接種量的適宜比例見(jiàn)表3。

表3 畜禽糞便添加量與BSFL接種量的適宜比例Table 3 Appropriate proportion of livestock and poultry manure addition amount and BSFL inoculation amount

3.3 利用黑水虻與細(xì)菌共轉(zhuǎn)化糞便

黑水虻和細(xì)菌建立有效的糞肥共轉(zhuǎn)化過(guò)程，可以大大縮短畜禽糞便的堆肥時(shí)間，細(xì)菌可促進(jìn)糞便的轉(zhuǎn)化和減少糞便量。Xiao等［50］通過(guò)將BSFL和從BSFL腸道分離出的枯草芽孢桿菌BSFCL菌株進(jìn)行共轉(zhuǎn)化，接種6日齡BSFL和含BSFCL的雞糞共轉(zhuǎn)化13 d產(chǎn)生衰老幼蟲(chóng)，然后進(jìn)行11 d有氧發(fā)酵，再接種分解劑使其成熟。結(jié)果顯示，與對(duì)照（無(wú)BSF-CL）相比，BSF-CL接種組雞糞減少率增加了13.4%。與未分解劑組相比，接種分解劑的殘?jiān)墒於雀?，接種有分解劑的殘留物更適合作為有機(jī)肥。BSFL及其協(xié)同細(xì)菌對(duì)雞糞的共轉(zhuǎn)化和分解劑的需氧發(fā)酵都僅需24 d。與傳統(tǒng)堆肥工藝相比，共轉(zhuǎn)化工藝大大縮短雞糞的堆肥時(shí)間，同時(shí)腸道細(xì)菌促進(jìn)糞便轉(zhuǎn)化和減少糞便。Rehman等［49］認(rèn)為，牛糞和雞糞的比例為2:3（DM40）時(shí)對(duì)BSFL生物量增加和糞便減少具有良好效果。研究DM40與6株外源細(xì)菌的相互作用，結(jié)果表明，與僅使用BSFL進(jìn)行轉(zhuǎn)化的處理組相比，加入MRO2菌株（6種外源細(xì)菌之一）的最高干廢物質(zhì)量減少率為48.77%，MRO2菌株和BSFL的相互作用可增強(qiáng)DM和CHM的生物轉(zhuǎn)化。Lorenzo等［51］從BSF卵中分離出9種細(xì)菌（FE01～FE09），并從幼蟲(chóng)腸道中分離出1種BSF-CL。將這些伴生細(xì)菌與BSFL一起接種到雞糞中，結(jié)果表明，幾乎所有細(xì)菌中的單個(gè)細(xì)菌均顯著促進(jìn)BSFL生長(zhǎng)。但用糞便中的FE01、FE04、FE08和BSF-CL與對(duì)照組相比，糞便減少率更高；當(dāng)伴生細(xì)菌以FE01:FE04:FE08:BSFCL=1:1:1:4比例混合時(shí)，最大糞便減少率達(dá)到52.91%。伴生細(xì)菌幫助BSFL減少糞便污染，優(yōu)化混合細(xì)菌和BSFL的共轉(zhuǎn)化可提高轉(zhuǎn)化效率。肖小朋等［52］對(duì)雞糞堆肥和豬糞堆肥中的細(xì)菌進(jìn)行分析，將篩選到的多種細(xì)菌分別接種到無(wú)菌雞糞中與自主馴化培育的武漢BSFL共轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，復(fù)配比例為 R-07:R-09:F-03:F-06=4:1:1:1 時(shí)效果最好，與空白對(duì)照相比，雞糞減少率增加了7.69%，證明通過(guò)添加篩選優(yōu)化的非水虻來(lái)源的微生物復(fù)合菌劑能夠促進(jìn)水虻高效轉(zhuǎn)化雞糞。

3.4 調(diào)控糞便處理的適宜環(huán)境條件

BSFL有促進(jìn)畜禽糞便分解的功能，為了獲得最大的畜禽糞便分解量，需要給BSFL提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境以促進(jìn)畜禽糞便分解。BSFL的處理效率受底物特性的影響很大，環(huán)境條件極大影響幼蟲(chóng)的發(fā)育以及廢物與生物量的轉(zhuǎn)化率。關(guān)于BSFL的適宜生長(zhǎng)條件，Singh等［26］認(rèn)為在溫度27 ℃、相對(duì)濕度70%、pH＞6、畜禽糞便水分含量在40%～60%之間的條件下，最適合BSFL的發(fā)育和生長(zhǎng)，此時(shí)BSFL存活率最高，畜禽糞便的干物質(zhì)減少量也達(dá)到最大。袁橙等［53］研究4日齡BSFL在不同溫度（25、28、30 ℃）下處理不同含水量（70%、75%和80%）豬糞的效果，結(jié)果表明，當(dāng)溫度為28～30 ℃、糞便含水量為75%時(shí)豬糞處理效率較高，糞便在第10天后即可結(jié)束處理。雷小文等［54］探討利用BSF資源化處理集約化雞場(chǎng)養(yǎng)殖廢棄物技術(shù)，結(jié)果顯示，BSF蟲(chóng)卵最佳孵化條件為環(huán)境溫度30 ℃、濕度80%，處理廢棄物時(shí)間為7～10 d。適宜BSF生長(zhǎng)的環(huán)境，能促進(jìn)畜禽糞便的分解。

4 展望

BSFL堆肥是一種新興的既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的糞便處理技術(shù)，具有巨大潛力，目前已在全球范圍內(nèi)引起人們的廣泛關(guān)注。使用BSFL處理糞肥，不僅能降低糞便中的有害物質(zhì)水平、氣味排放水平，減少畜禽糞便的干物質(zhì)，同時(shí)還可將價(jià)值低的糞便轉(zhuǎn)化為價(jià)值高的動(dòng)物蛋白等。BSFL生產(chǎn)的蛋白質(zhì)可以對(duì)畜禽糞便處理的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生積極影響。BSFL堆肥促進(jìn)高資源回收率和產(chǎn)生增值產(chǎn)品，從而為發(fā)展中國(guó)家的工業(yè)部門(mén)和企業(yè)開(kāi)發(fā)新的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)［26,55］。盡管目前BSFL已被應(yīng)用于畜禽糞便處理，但黑水虻處理糞便還存在以下問(wèn)題：首先，工業(yè)化、大規(guī)模的處理仍處于探索階段；其次，目前相關(guān)領(lǐng)域仍存在大部分空白，BSFL堆肥背后的分解機(jī)制和積累效應(yīng)仍未被詳細(xì)解析，由BSFL分解畜禽糞便產(chǎn)生的動(dòng)物蛋白飼料是否存在安全性問(wèn)題值得關(guān)注。目前人們對(duì)昆蟲(chóng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和利用在社會(huì)心理障礙方面仍然存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)［26］，需要繼續(xù)深入研究BSFL堆肥分解畜禽糞便的分解機(jī)制和積累效應(yīng)，為BSFL用于畜禽糞便管理提供新的視角。