利用微生物處理畜禽糞便的研究

陳杰等

摘要隨著養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便大量堆積對環(huán)境的污染問題也日益嚴(yán)重。為了緩解環(huán)境和資源問題，將這些豐富的有機質(zhì)資源化進行重新利用顯得越發(fā)重要。闡述和總結(jié)了微生物資源對畜禽業(yè)發(fā)展的意義，特別是在畜禽糞便等廢棄物處理上與微生物關(guān)系緊密。微生物在糞便除臭、有機質(zhì)降解轉(zhuǎn)化，甚至是通過調(diào)整飼料營養(yǎng)比例或改善飼料消化水平來降低禽畜糞便的生產(chǎn)量都起著重要的作用。因此，利用微生物來改善養(yǎng)殖業(yè)廢棄物帶來的污染問題以及資源化利用畜禽糞便具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞畜禽糞便；微生物；改善；資源化；利用

中圖分類號S181.3文獻標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2014）28-09910-02

Study on Animal Slurry Treatment by Microorganism

CHEN Jie， ZHAO Xiangjie， KUANG Zheshi* et al（Institute of Sericulture and Agricultural Products Processing， Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou， Guangdong 510610）

Abstract With the dramatic development of livestock production， serious pollution issues caused by the disposal of animal slurry have arisen increasingly. It is of great importance to recover these organic matter resources in order to meet the needs of source and solve the environmental problems. And this paper reviews the significance of microorganism for livestock development and particularly the close relationship between microorganism and biodegradation of animal breeding residues. These bacteria play an important role in odor control， degradation and conversion of organic matters， and even the reduction of animal waste discharging amount by adjusting the feed nutrition proportion or improving the digestibility of nutrients. Consequently， it shows good application prospect of microbe practice in the improvement of contaminated environment resulting from livestock farming residues and the utilization of livestock manure resource.

Key words Animal slurry； Microorganism； Improvement； Resource； Utilization

近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，在促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的同時，大量的養(yǎng)殖廢棄物也在不斷產(chǎn)生。這些廢棄物主要來自于動物產(chǎn)生的大量糞便，我國每年畜禽糞便產(chǎn)生量為21.7億t，是工業(yè)廢棄物的2.7倍，并且仍呈現(xiàn)上升趨勢。由于養(yǎng)殖過程中糞便經(jīng)不適當(dāng)?shù)奶幚砘蛑苯优欧胖镰h(huán)境中，造成大量的有機質(zhì)以及N、P元素的流失[1-2]，引起水體細(xì)菌富養(yǎng)，甚至影響到地下水，成為生態(tài)環(huán)境的污染源[3]；養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的大量惡臭氣體，含有不少的氨、甲烷、氮氧化物等多種化合物[4]，對人體和大氣都會造成危害。同時未經(jīng)處理的糞便本身就含有大量的病原微生物、寄生蟲卵以及蚊蠅，可長期在環(huán)境中生存甚至繁殖孳生[5]，若直接排放，極易造成疾病傳播，危害人畜健康。但是從資源化利用的角度觀察，這些糞便含有大量的有機質(zhì)，以及植物生長所必需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)要素[6-7]，將這些潛在資源重新變?yōu)閷殻瑢π笄菁S便進行無害化處理，是符合中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一。

采用化學(xué)試劑混凝沉淀或物理方法進行分離和沉淀等是比較常見的糞便處理技術(shù)，這些傳統(tǒng)方法在一定程度上減少了廢棄物的堆積和污染問題，然而氨態(tài)氮以及其他污染物的含量仍然較高[8]，浪費了大量的有機質(zhì)資源，且存在一次性投資大等問題。生物法特別是微生物技術(shù)的應(yīng)用，在畜禽糞便處理上因其環(huán)保、高效以及低投入等特點逐漸受到人們的重視，它可以將大量糞便腐熟降解最后轉(zhuǎn)化成有機肥或者在厭氧條件下發(fā)酵成生物燃料。此外，微生物還可以均衡動物飼料營養(yǎng)比例，提高飼料消化利用率，從而減少糞便中氮磷的排放。闡述了微生物在畜禽糞便不同階段產(chǎn)生的養(yǎng)殖廢棄物處理工藝，大體可分為減少源頭排放、養(yǎng)殖過程控制和廢棄物處理三個不同方面[9]，為養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)。

1從源頭上減少畜禽糞便中有機質(zhì)的排放

通過微生物改善飼料的營養(yǎng)比例并提高其消化率，可以做到從養(yǎng)殖源頭減少禽畜糞便中有機物的排放。畜禽飼料在營養(yǎng)方面的改善一直是畜禽養(yǎng)殖業(yè)的研究熱點，然而對這些豐富的營養(yǎng)物質(zhì)在動物體內(nèi)消化率的關(guān)注度卻相對缺乏。在飼料中特別是氨基酸比例不平衡的情況下，極易造成禽畜排泄物中氮素含量偏高，排放后造成環(huán)境污染[10]。

微生物飼料是利用微生物發(fā)酵飼料原料轉(zhuǎn)化成食用蛋白或菌體蛋白，能夠維護動物腸道健康、幫助消化及緩解不良應(yīng)激等。向飼料中添加微生物還可以改變糞便中揮發(fā)性脂肪酸的組成，降低其丙酸鹽的含量[11]，彌補了畜禽糞便降解能力不足的缺點[12]，從源頭出發(fā)減少禽畜糞便的排放量。微生物通過改善飼料中的營養(yǎng)比例或增強飼料在動物體內(nèi)的代謝活動，減少了產(chǎn)生的有害物質(zhì)的排泄[13]；或增加了動物排泄物中微生物的數(shù)量，加強了糞便的分解作用。微生物作為添加劑的生物飼料可以大致分為兩大類，一種是利用微生物的發(fā)酵作用改變原料的理化性質(zhì)，提高營養(yǎng)價值的同時也增強了飼料在動物體內(nèi)的消化效率。如利用不同微生物對豆粕、棉粕等原料進行發(fā)酵，能有效去除原料中多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，生成大量的益生菌，同時提高脲酶、胰蛋白酶等生理活性物質(zhì)的含量[14-15]。另一種是利用其他副產(chǎn)物、下腳料或者是低值原料培養(yǎng)微生物獲得的菌體蛋白。應(yīng)用芽孢桿菌和乳酸菌作為菌體蛋白飼料，因其能在動物腸道定殖，并分泌一些抗菌物質(zhì)或幫助消化的水解酶，而常用于添加到商業(yè)飼料中[16-17]。

2發(fā)酵床養(yǎng)殖進行養(yǎng)殖過程控制

發(fā)酵床養(yǎng)殖是一種全新的綠色生態(tài)養(yǎng)殖法，以接種大量的益生菌與養(yǎng)殖動物圈舍環(huán)境中的土著菌構(gòu)成優(yōu)勢菌群，添加鋸末、秸稈等農(nóng)作物廢棄纖維為發(fā)酵墊料，將養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞便進行原位發(fā)酵來控制糞便的堆積，達(dá)到邊養(yǎng)殖邊控制糞便污染，是一種無污染、低排放的有機農(nóng)業(yè)技術(shù)。這其中功能微生物的分解作用發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。

發(fā)酵床中的微生物是個復(fù)雜的生物體系，在發(fā)酵的過程中，隨著墊料空間分布和使用時間的變化，微生物群落結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著變化[18]。在發(fā)酵床養(yǎng)殖過程中，也正是這些復(fù)雜豐富的微生物種群進行分工發(fā)酵，包括墊料表層的有氧發(fā)酵和里層的厭氧發(fā)酵，分別來分解糞便中的淀粉、糖類、纖維素等不同有機物；而禽畜的排泄物也能提供給微生物大量的營養(yǎng)物，讓細(xì)菌不斷繁殖增生，能更有效降解糞便消除異味[19]、提高動物抵抗力[20]和飼料消化率[21]。目前發(fā)酵床養(yǎng)殖在養(yǎng)豬領(lǐng)域上已較為成熟，對益生菌的篩選和墊料的配比及其相互作用的研究比較透徹。張慶寧等從養(yǎng)豬發(fā)酵床中分離得到多種芽孢桿菌，并在細(xì)菌發(fā)酵液中檢測到脲酶、蛋白酶、纖維素酶和過氧化氫酶等多種生物活性，能有效分解禽畜排泄物中的大量有機物，改善環(huán)境[22]。另外豐富多樣的微生物在發(fā)酵床中通過相互協(xié)調(diào)幫助糞便的降解，它們的代謝產(chǎn)物能提高其他菌種的活性，或者抑制病原微生物。如酵母菌可以提高纖維素的降解率[23]，乳酸菌和放線菌能夠加快糞便和墊料的纖維素分解，并抑制有害細(xì)菌的繁殖增生等[24]。但到了養(yǎng)殖后期仍會出現(xiàn)不可忽視的問題，由于墊料承受的糞便越來越多，直到功能菌的分解速度跟不上動物的排泄速度，會使墊料出現(xiàn)硬化，最終導(dǎo)致發(fā)酵床的功能喪失。

3微生物發(fā)酵處理畜禽廢棄物

利用微生物的降解作用可以將養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的大量污染物發(fā)酵成肥料或燃料，將資源進行重新利用。根據(jù)氧氣的供應(yīng)情況，可將發(fā)酵分為有氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵，兩者都能把廢棄物中的有機質(zhì)分解成CO2、H2O以及有機肥料或生物燃料等，并放出大量熱。微生物的活性對整個堆肥化的進行是至關(guān)重要的。

3.1堆肥發(fā)酵

堆肥過程中，整個微生物群體結(jié)構(gòu)隨堆肥的進行而迅速演變交替，是微生物活動與堆肥指標(biāo)（溫度、水分、pH、碳氮比等）相互作用和影響的結(jié)果[25]。傳統(tǒng)堆肥利用原料中的土著微生物來降解有機物，由于堆肥剛開始階段功能微生物數(shù)量少，造成發(fā)酵周期長，同時也容易引起氮素的損失，從而污染環(huán)境。因此在進行發(fā)酵前通常人為接種具降解有機質(zhì)能力的微生物制劑，來加快糞便的腐熟并讓其更加充分地降解[26]。在堆肥過程中，以NH3形式揮發(fā)損失的氮要占到總氮的47%～62%[27]，在堆肥前期所分解的有機氮產(chǎn)生的氨氣，揮發(fā)至環(huán)境中，是氮素流失和惡臭氣味產(chǎn)生的主要原因，控制氮素的損失是堆肥質(zhì)量的關(guān)鍵所在。然而在添加適當(dāng)?shù)姆纸饫w維素菌和固氮菌后，可以明顯降低C/N比[28]，對氮保存有較好的效果。相比之下，磷元素和鉀元素不會通過揮發(fā)等形式流走，發(fā)酵前后含量變化不會很大。在堆肥某一階段的優(yōu)勢菌種或者直接添加入的外源菌種所具備的解磷、解鉀作用還能增加堆肥中有效磷和速效鉀的含量[29]，能讓植物直接吸收利用，提高堆肥質(zhì)量。

3.2光合細(xì)菌

光合細(xì)菌是地球上最早出現(xiàn)的原核生產(chǎn)者，能進行光合作用，固定大氣中的游離氮。并且，光合細(xì)菌還能將環(huán)境中的有害物質(zhì)消除、同化和降解[30]，轉(zhuǎn)化成有益其他生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，凈化空氣的同時又變廢為寶。隨著對光合細(xì)菌不斷深入的研究，光合細(xì)菌的理化性質(zhì)、代謝特征以及應(yīng)用也日趨成熟。

光合細(xì)菌含有大量的蛋白質(zhì)、維生素以及多種生理活性物質(zhì)，是一種重要的營養(yǎng)資源，將其添加到水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中不僅可以豐富魚類的蛋白質(zhì)來源，提高養(yǎng)殖魚類免疫力[31]，還可以幫助其消化[32]，從而減少廢棄物中粗蛋白含量。自Gest和Kamen發(fā)現(xiàn)深紅螺菌的產(chǎn)氫現(xiàn)象[33]以來，利用光合細(xì)菌制備生物能源逐漸受到廣泛關(guān)注，畜禽糞便含有大量的有機碳氮底物，以及光合細(xì)菌廣闊的生存譜，將養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄物轉(zhuǎn)化成氫氣[34]可達(dá)到一舉兩得的經(jīng)濟效益。此外，光合細(xì)菌也能像其他微生物發(fā)酵一樣將糞便轉(zhuǎn)化成有機肥料，含有光合細(xì)菌的有機肥不僅含有豐富的有機質(zhì)基礎(chǔ)，還具備合成織物促生因子、提高光合作用的能力[35]，增加作物產(chǎn)量。因此，光合細(xì)菌處理畜禽糞便，既能達(dá)到無害化處理，還能將這些廢棄物轉(zhuǎn)化成綠色氫能源和有機肥，進行資源化利用，對禽畜糞便的開發(fā)利用有著良好的應(yīng)用前景。

4小結(jié)與展望

綜上所述，微生物處理養(yǎng)殖業(yè)廢棄物主要通過添加微生物飼料幫助動物消化、減少未消化徹底的有機質(zhì)排放，或者利用微生物的發(fā)酵降解作用將糞便轉(zhuǎn)化成其他可再生資源。發(fā)酵床養(yǎng)殖為養(yǎng)殖業(yè)提供了方便的原位發(fā)酵法將有機質(zhì)進行就地降解，但同時也要注意動物糞便的排放量是否在微生物的承受范圍之內(nèi)。堆肥利用微生物分解作用處理這些糞便，不僅減少養(yǎng)分流失造成的環(huán)境污染，同時也可制備得到優(yōu)質(zhì)的有機肥。這些方法就目前來看，在養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展上產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。其中光合細(xì)菌在這些有機廢棄物處理上是個嶄新的方法，它以自身對環(huán)境高耐性的優(yōu)勢，在高濃度有機質(zhì)的基質(zhì)中將畜禽糞便進行轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生綠色氫氣，緩解了能源緊張，以及產(chǎn)生了具有光合細(xì)菌的有機肥，可更好地促進植物生長。因此，全面認(rèn)識微生物處理畜禽糞便的機理和作用，對保障養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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