武漢亮斑水虻對豬糞的除臭功能研究

李　峰，張　可，金　鑫，喻子牛，張吉斌，李明順，鄭龍玉

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430070)

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武漢亮斑水虻對豬糞的除臭功能研究

李峰，張可，金鑫，喻子牛，張吉斌，李明順，鄭龍玉

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430070)

摘要：亮斑扁角水虻武漢品系(武漢亮斑水虻)幼蟲在高效轉(zhuǎn)化利用豬糞有機(jī)質(zhì)的同時，能顯著去除或減少揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生。在水虻幼蟲處理組中，短鏈脂肪酸(如乙酸、丙酸等)在48 h內(nèi)即可去除，長鏈脂肪酸(如丁酸、戊酸等)在72 h內(nèi)可完全去除，己酸則需120 h去除；而對照組中，除乙酸、丙酸可在60 h左右去除外，其它長鏈脂肪酸在9 d后仍存在。水虻幼蟲處理豬糞72 h后，糞便中4-甲基苯酚、乙基苯酚、3-甲基吲哚(糞臭素)、吲哚等的含量發(fā)生顯著變化，與對照相比提前2 d完成臭味去除。表明，武漢亮斑水虻不僅能夠作為高效處理豬糞的媒介，獲得高附加值的昆蟲生物質(zhì)，同時還能達(dá)到對糞便除臭的效果，減少惡臭氣體對空氣質(zhì)量和養(yǎng)殖環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：亮斑扁角水虻；豬糞；除臭；揮發(fā)性脂肪酸

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球畜牧養(yǎng)殖業(yè)的集約化程度極大提高，導(dǎo)致了有限范圍內(nèi)畜禽糞污的大量積累，造成周邊居民生活環(huán)境、動物生產(chǎn)環(huán)境的惡化，影響了動物自身的生產(chǎn)性能及相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量安全。畜禽糞污的有效治理及資源化受到越來越多的關(guān)注。同時，糞污又是江河湖泊及地下水污染的主要原因，會導(dǎo)致水質(zhì)下降，富營養(yǎng)化，甚至對飲用水質(zhì)量造成影響，如病原菌超標(biāo)、硝酸鹽或有機(jī)質(zhì)含量過高等，直接危害人類健康[1]。其污染程度所占比例在某些地區(qū)已經(jīng)超過了其它產(chǎn)業(yè)，畜牧業(yè)已成為農(nóng)業(yè)源污染之首。養(yǎng)殖業(yè)污染物形式多樣，除了糞污(固體、液體)的直接污染，還有其它污染形式，如動物糞便含有大量營養(yǎng)及礦物殘留，容易滋生蚊蠅傳播疾病，而其中的產(chǎn)臭微生物堆積發(fā)酵，則會產(chǎn)生大量的惡臭氣體，包括氨氣、硫化氫、吲哚類等揮發(fā)物，污染周邊空氣。畜禽糞污如不能得到妥善處理，將極大地威脅現(xiàn)代農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，阻礙生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，最終影響我國社會主義新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)程[2]。

亮斑扁角水虻(blacksoldierfly，Hermetia illucensL.)是一種營腐食性的資源環(huán)境昆蟲，其幼蟲期取食范圍廣泛，食性雜，利用亮斑扁角水虻的營腐食性生活習(xí)性特點(diǎn)來處理畜禽糞污，已越來越受到關(guān)注[3]。亮斑扁角水虻能高效處理畜禽糞污，具有減量化、資源化、無害化等特點(diǎn)，其老熟幼蟲或前蛹富含蛋白質(zhì)和脂肪，是良好的新型動物飼料蛋白或添加劑，對于緩解我國蛋白飼料資源短缺有重要意義。剩余的蟲糞及糞便殘渣通過二次發(fā)酵可以開發(fā)出功能性微生物肥料，回歸到傳統(tǒng)種植業(yè)。因此，畜禽糞污的昆蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)一舉多得，充分實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，符合我國生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求[4]。水虻在實現(xiàn)廢棄物向生物能源轉(zhuǎn)換方面具有潛力，利用其油脂產(chǎn)出的生物柴油品質(zhì)、性能參數(shù)等各方面指標(biāo)大多數(shù)都達(dá)到了歐盟有關(guān)生物柴油的標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。前期已有報道，水虻在降解有機(jī)污染的同時，能夠有效除臭[7-8]，但未見具體的數(shù)據(jù)支撐。

亮斑扁角水虻武漢品系(武漢亮斑水虻)在生長性能及廢棄物處理效率等方面較其它品系更具優(yōu)勢，生長周期短，個體大，轉(zhuǎn)化效率高，因此具有良好的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛力[9]。作者利用武漢亮斑水虻幼蟲處理豬糞，同時采用固相微萃取技術(shù)與氣相色譜-質(zhì)譜法(SPME-GC/MS)分析水虻對豬糞中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC，揮發(fā)性脂肪酸、乙基苯酚、吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基吲哚)產(chǎn)生的影響，并評價水虻對豬糞的除臭效果。

1實驗

1.1材料

武漢亮斑水虻，采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水虻人工繁育體系。

人工飼料為肉用仔雞前期配合飼料(武漢希望飼料有限公司)和三泰優(yōu)質(zhì)麩皮(安徽三泰面粉有限責(zé)任公司)按質(zhì)量比7∶3混合，含水量70%(用手輕輕攥取少量飼料，水可以從指縫流出即可)。

豬糞取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)種豬場。

1.2方法

1.2.1武漢亮斑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞

1.2.1.1卵塊收集及幼蟲飼養(yǎng)

將收卵器放在誘導(dǎo)盒上，置于水虻成蟲籠中，查看卵塊收集情況，直到卵塊數(shù)量達(dá)到實驗所需為止。

隨后將水虻蟲卵放在孵化器中，室內(nèi)溫度控制在(27±1) ℃，相對濕度為70%～75%。3～4 d蟲卵孵化后，加入200 g人工飼料飼喂幼蟲至合適大小。

1.2.1.2轉(zhuǎn)化過程及樣品采集

選取大小相近的6日齡幼蟲，棄掉多余飼料。每次隨機(jī)選取100頭幼蟲，稱重，重復(fù)3次取平均值，用于幼蟲數(shù)定量。按1頭·g-1的比例接種幼蟲于裝有1 500 g豬糞的盆中，做好標(biāo)記后用紗布覆蓋，室內(nèi)溫度控制在恒溫(27±1) ℃，相對濕度為70%～75%，早晚各翻動1次，觀察水虻幼蟲長勢。每隔12 h取樣，取樣前，均勻攪拌豬糞，將豬糞中的幼蟲用鑷子夾出，每次取樣30 g，做好標(biāo)記；第5 d時，部分水虻會出現(xiàn)預(yù)蛹現(xiàn)象，則每隔1 d取樣，樣品置于-20 ℃保存，備用。

1.2.2SPME-GC/MS分析樣品揮發(fā)性組分

從冰箱中取出樣品，置于冰上融化。處理前，先將100 mL頂空固相萃取瓶用超聲清洗儀清洗20 min后用雙蒸水潤洗。取20 g豬糞樣品放入萃取瓶中，加入50 mL飽和NaCl溶液，硅膠隔墊密封，70 ℃下恒溫水浴磁力攪拌，700 r·min-1平衡30 min。

隨后將萃取頭插入頂空固相萃取瓶中，推出纖維頭，使其處于萃取瓶頂空部分的中間位置，吸附30 min，計時結(jié)束后，先縮回纖維頭再拔出萃取頭，然后立即插入SPME-GC/MS進(jìn)樣口中(280 ℃)解吸5 min，進(jìn)行SPME-GC/MS分析。實驗重復(fù)3次。

GC條件：DB-WAX石英毛細(xì)管柱(30 m×250 μm，0.25 μm，Agilent公司)；升溫程序：初始40 ℃維持3 min，以3 ℃·min-1速率升至160 ℃，維持2 min，隨后8 ℃·min-1升至220 ℃，維持3 min；汽化溫度為250 ℃；進(jìn)樣方式采用不分流；樣品進(jìn)樣量1 μL；載氣為氦氣；流速1 mL·min-1。

MS條件：EI離子源，70 eV；溶劑延遲為0 min；離子源溫度200 ℃；傳輸線溫度250 ℃；進(jìn)行全掃描(m/z)45～650[10]。將分析的樣品質(zhì)譜圖與自動質(zhì)譜庫(NIST Mass Spectral Search Program)進(jìn)行比對分析，確定豬糞中各種揮發(fā)性組分的化學(xué)組成。

1.2.3統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)全部采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2結(jié)果與討論

2.1頂空固相萃取條件的選擇

2.1.1萃取頭的選擇

選擇合適的萃取頭對于分析揮發(fā)性組分十分關(guān)鍵。常用萃取頭涂層有PDMS、PDMS/DVB、CAR/PDMS等，三者均能有效吸附揮發(fā)性有機(jī)化合物。PDMS/DVB相對于PDMS和CAR/PDMS，吸附化合物的極性范圍更寬，并適用于分子量較大物質(zhì)的分析。本實驗選用涂層是PDMS/DVB的萃取頭。

2.1.2樣品用量的選擇

樣品用量的選擇對于后續(xù)色譜分析至關(guān)重要。樣品用量過多或過少都會對色譜峰造成影響，使分離度下降或出峰數(shù)量減少，導(dǎo)致分析結(jié)果不全面、 不準(zhǔn)確[11]。分別選取10 g、15 g、20 g、25 g豬糞樣品進(jìn)行實驗，以乙基苯酚、吲哚、4-甲基苯酚和3-甲基吲哚4種豬糞臭氣中相對含量較大且不易去除的典型揮發(fā)性有機(jī)化合物作為指針，以其總離子流的色譜峰面積作為判斷依據(jù)對樣品用量進(jìn)行考察，結(jié)果如圖1所示。

圖1　樣品用量對豬糞中VOC萃取效果的影響Fig.1　Effect of sample dosage on the extraction of VOC in swine manure

由圖1可知，隨著樣品用量的增多，4種揮發(fā)性有機(jī)化合物的色譜峰面積增大，即萃取效果越好；樣品用量超過20 g后，色譜峰面積變化不大。故選擇最佳樣品用量為20 g。

2.1.3萃取溫度的選擇

萃取溫度直接影響揮發(fā)性物質(zhì)與涂層材料的吸附平衡：如果溫度過高，吸附平衡雙向速度都會加快，平衡系數(shù)降低，化合物吸附量減少；另外，溫度過高，樣品中成分或之間可能會發(fā)生反應(yīng)或化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，影響化學(xué)分析的準(zhǔn)確性；溫度過低，則需要更長時間達(dá)到吸附平衡。考察了萃取溫度對豬糞中VOC萃取效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著萃取溫度的升高，4種揮發(fā)性有機(jī)化合物的色譜峰面積增大，即萃取效果越好；萃取溫度高于70 ℃時，色譜峰面積變化不大。故選擇最佳萃取溫度為70 ℃。

圖2　萃取溫度對豬糞中VOC萃取效果的影響Fig.2　Effect of extraction temperature on the extraction of VOC in swine manure

2.1.4萃取時間的選擇

取豬糞樣品20 g，設(shè)定萃取溫度為70 ℃，考察萃取時間對豬糞中VOC萃取效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　萃取時間對豬糞中VOC萃取效果的影響Fig.3　Effect of extraction time on the extraction of VOC in swine manure

由圖3可知，萃取時間為30 min時，4種揮發(fā)性有機(jī)化合物的色譜峰面積即可達(dá)到平衡。故選擇最佳萃取時間為30 min。

綜上，選擇涂層為PDMS/DVB的萃取頭，樣品用量為20 g，在70 ℃下萃取30 min用于豬糞的揮發(fā)物臭氣分析。

2.2揮發(fā)性脂肪酸(VFA)在水虻轉(zhuǎn)化豬糞過程中變化情況

表1為豬糞中揮發(fā)性有機(jī)化合物的出峰時間，圖4為揮發(fā)性有機(jī)化合物的總離子流圖。

由表1和圖4可知，雖然揮發(fā)性脂肪酸含量沒有酚類、吲哚類物質(zhì)含量高，但揮發(fā)性脂肪酸與豬糞中惡臭強(qiáng)度之間存在著良好的相關(guān)性，且脂肪酸中碳鏈越長越不容易去除。因此，研究武漢亮斑水虻幼蟲對這幾種物質(zhì)的去除效果可以直接反映其對豬糞臭味的去除效果。

表1豬糞中揮發(fā)性有機(jī)化合物的出峰時間/min

Tab.1Peak appearance time of VOC in swine manure/min

峰號物質(zhì)名稱保留時間標(biāo)樣環(huán)己酮15.0741乙酸22.3362丙酸25.7243丁酸29.1434戊酸33.2675己酸35.61964甲基苯酚44.7897乙基苯酚47.6008吲哚52.23893甲基吲哚52.915

豬糞中揮發(fā)性脂肪酸含量隨幼蟲轉(zhuǎn)化變化情況見圖5。

由圖5A可知，水虻轉(zhuǎn)化豬糞36 h時，處理組中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸的含量與對照組相比已有顯著下降(P<0.05)，其中乙酸、丙酸這2個短鏈脂肪酸的含量下降最為明顯。對照組中乙酸含量是處理組的12倍、丙酸含量是處理組的7倍、丁酸含量是處理組的3.8倍、戊酸含量是處理組的5.3倍、己酸含量是處理組的2.3倍。由圖5B可知，48 h時，處理組豬糞中已檢測不到乙酸、丙酸，與對照組相比提前12 h達(dá)到去除效果，而此時對照組中5種脂肪酸的含量仍很高，其中丁酸含量是處理組的3.6倍、戊酸含量是處理組的4.4倍、己酸含量是處理組的1.4倍。由圖5E可知，120 h時，處理組中已檢測不到己酸，而對照組中己酸含量與72 h(圖5D，12.08 mg·g-1)相比無太大變化。取樣截止時，對照組中仍可檢測出丁酸(4.94 mg·g-1)、戊酸(5.87 mg·g-1)、己酸(9.18 mg·g-1)。可見，豬糞中揮發(fā)性脂肪酸碳原子數(shù)越多，越不容易去除，這一結(jié)果與曾正清等[12]用蚯蚓糞添加到豬糞除臭的結(jié)果一致。

1～9：乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、4-甲基苯酚、乙基苯酚、吲哚、3-甲基吲哚 圖4　豬糞中揮發(fā)性有機(jī)化合物的總離子流圖(36 h)Fig.4　Total chromatograms of VOC in swine manure(36 h)

2.3豬糞中吲哚類、苯酚類物質(zhì)含量隨幼蟲轉(zhuǎn)化的變化情況(圖6)

由圖6可知，武漢亮斑水虻幼蟲對豬糞中吲哚類、苯酚類臭味氣體有較好的去除效果(P<0.05)。在72 h前經(jīng)過水虻幼蟲處理的豬糞臭味氣體的波動幅度不大，在豬糞發(fā)酵、水虻幼蟲取食豬糞的過程中，吲哚類、苯酚類臭味氣體含量都呈上升→平穩(wěn)→下降的趨勢，這與Kuroda等[13]的實驗結(jié)果相符。在豬糞發(fā)酵初期，溫度逐漸升高，產(chǎn)臭微生物大量生長，分解豬糞中的粗蛋白、粗脂肪、含氮有機(jī)物，因此臭味物質(zhì)揮發(fā)量逐漸上升；隨著時間的推移，微生物的礦化作用減弱，有機(jī)揮發(fā)性氣體揮發(fā)量也隨之減弱。由圖6A、6B可知，72 h后，處理組中4-甲基苯酚、乙基苯酚的含量均開始明顯下降，168 h時已經(jīng)檢測不到這兩種物質(zhì)，而此時對照組中4-甲基苯酚(218.06 mg·g-1)、乙基苯酚(49.7 mg·g-1)的含量依然較高，與對照組相比提前2 d達(dá)到除臭效果；3-甲基吲哚在豬糞中含量最高，最不易去除，但水虻幼蟲對3-甲基吲哚的除臭效果顯著(P<0.05)。由圖6C可知，72 h后處理組中的3-甲基吲哚含量開始遞減，且幅度較大，在水虻進(jìn)入預(yù)蛹期前，已經(jīng)將3-甲基吲哚含量降到最低，而對照組中3-甲基吲哚含量在終止取樣時依然很高，是對照組的4倍。由圖6D可知，168 h時處理組的吲哚含量基本降低到20.00 mg·g-1，而對照組中吲哚含量是實驗組的7倍，取樣結(jié)束時，仍可以檢測到一定濃度的吲哚(24.06 mg·g-1)，處理組與對照組相比至少提前2 d完成了對吲哚的去除。

注：相同字母(a與a)表示處理組與對照組相比下降；不同字母(a與b)表示處理組與對照組相比顯著下降(P<0.05)，下圖同

圖5豬糞中揮發(fā)性脂肪酸含量隨幼蟲轉(zhuǎn)化變化情況

Fig.5The content of VFA in swine manure during larval conversion

A.4-甲基苯酚　B.乙基苯酚　C.3-甲基吲哚　D.吲哚 圖6　豬糞中吲哚類、苯酚類物質(zhì)含量隨幼蟲轉(zhuǎn)化的變化情況Fig.6　The content of indole and phenol substances in swine manure during larval conversion

原因可能是，武漢亮斑水虻幼蟲取食、翻動過程中促進(jìn)了豬糞中臭味物質(zhì)的揮發(fā)；也可能是水虻幼蟲腸道微生物或水虻幼蟲自身對豬糞中土著產(chǎn)臭微生物產(chǎn)生了影響；抑或是二者協(xié)同作用從而降低了吲哚類、苯酚類臭味氣體的含量。

2.4處理前后豬糞的物理狀態(tài)

武漢亮斑水虻幼蟲通過取食豬糞達(dá)到除臭效果與豬糞的物理狀態(tài)相關(guān)。120 h時，對照組表面干燥且長有一層白色真菌，內(nèi)層黃褐色、臭味大、有結(jié)塊、質(zhì)地較濕；處理組豬糞為黑褐色、臭味明顯減輕、質(zhì)地松散、呈顆粒狀，且有淡淡的草香，這一結(jié)果與薛純良等[14]用家蠅幼蟲處理豬糞物理狀態(tài)相似。

3結(jié)論

研究了武漢亮斑水虻幼蟲對豬糞轉(zhuǎn)化過程中揮發(fā)性有機(jī)化合物的變化情況。結(jié)果表明，水虻在轉(zhuǎn)化豬糞過程中，能有效去除或抑制揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生，其中短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸)48 h時即可完全去除，而長鏈脂肪酸(丁酸、戊酸、己酸)5 d可全部去除，與對照組相比差異顯著 (P<0.05)。武漢亮斑水虻幼蟲對豬糞中吲哚類、苯酚類臭味氣體也有較好的去除效果(P<0.05)，與對照組相比，至少提前2 d完成吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基吲哚臭味的去除。對照組中3-甲基吲哚含量在終止取樣時依然很高，是處理組的4倍。武漢亮斑水虻幼蟲不僅可以將畜禽糞污的臭味去除，而且可以將畜禽糞污廢棄營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為自身蛋白質(zhì)、脂肪等儲存在體內(nèi)，其生物質(zhì)可以作為優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料或添加劑，而轉(zhuǎn)化后的畜禽糞便殘料可作為生物肥為作物提供營養(yǎng)，真正實現(xiàn)變廢為寶的目的。武漢亮斑水虻在畜禽糞污等有機(jī)廢棄物污染治理及資源化利用中潛力巨大。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(31301913)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(2662015QD006)

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：李峰(1987-)，男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)，E-mail：561309460@qq.com；通訊作者：鄭龍玉，副教授，E-mail：ly.zheng@mail.hzau.edu.cn。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.07.007

中圖分類號：X 512

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)07-0028-06

Research on Swine Manure Deodorization by Larvae of Black Soldier Fly Wuhan Strain

LI Feng,ZHANG Ke,JIN Xin,YU Zi-niu,ZHANG Ji-bin,LI Ming-shun,ZHENG Long-yu

(CollegeofLifeScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

Abstract：The emission of volatile fatty acids could be removed or reduced significantly during the digestion and conversion of swine manure by larvae of black soldier fly Wuhan strain.Short-chain fatty acids, such as acetic acid and propionic acid,could be removed within 48 h.Long-chain fatty acids,such as butyric acid and pentanoic acid,could be completely removed within 72 h.Hexanoic acid could be completely removed in 120 h.In the control group,only acetic acid and propionic acid could be removed in 60 h,but other long-chain fatty acids still could be detected after 9 d.After treated for 72 h,the contents of 4-methyl phenol,ethyl phenol,3-methyl indole(skatole) and indole were obviously changed.Compared with the control group,the odor removal was finished 2 d ahead of time.It indicated that black soldier fly Wuhan strain could not only be used as an efficient waste management agent to obtain insect biomass with high value,but also be very effective for deodorization of animal manure,reducing negative effects of offensive odor on air quality and breeding environment.

Keywords：black soldier fly;swine manure;deodorization;volatile fatty acids

李峰，張可，金鑫，等.武漢亮斑水虻對豬糞的除臭功能研究[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(7)：28-33.