黑水虻堆肥促畜禽糞便分解的研究進展

陸麗珠，鄧 盾，馬 平，胡旭進，李劍豪，馬現永，胡文鋒，胡 斌

（1.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642；2.廣東省農業科學院動物科學研究所/畜禽育種國家重點實驗室/廣東省動物育種與營養公共實驗室/廣東省畜禽育種與營養研究重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.安順市畜牧技術推廣站，貴州 安順 561000；4.金華市農業科學研究院，浙江 金華 321000）

隨著人口增多，畜禽養殖業高速發展，預計到2050年，全球奶類和肉類的需求量將比2010年分別增長70%和58%［1-2］，隨之而來的是大量畜禽糞便的產生，如處理不當易造成土壤、空氣、水污染等［3-4］。根據第一次全國污染源調查，2007年我國大規模畜禽養殖產生糞便2.43億t；2017年農業部數據顯示，當前我國每年畜禽糞污產生量約38億t，綜合利用率不足60%［5-6］，造成日益嚴重的環境污染問題。目前堆肥主要以自然堆肥為主，自然堆肥成本低、易操作，但存在處理規模小、占地面積大、腐熟慢、效率低、易受天氣影響等問題，不能滿足對大批量畜禽糞便進行高效率、高質量的處理［7］。隨著畜禽糞便數量越來越多，迫切需要開發一種能高效減少廢物并環保安全的新型糞便處理技術，以確保可持續利用養分并減輕對環境的影響，同時滿足畜牧業的未來需求。目前國內外關于處理畜禽糞便的研究，主要是利用資源昆蟲進行堆肥，其中對亮斑扁角水虻（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、統一、工業化處理畜禽糞便提供理論基礎。

1 畜禽糞便的特點

畜禽糞便中含有豐富的有機物和氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等多種礦物質及微量元素，可以滿足作物生長過程中對多種養分的需要［11-12］。從表1可見，不同的畜禽糞便有不同含量的營養成分［13］。在過去畜禽糞便常被用來增加農作物的產量并改善土壤的化學和物理性質［14］，大多直接就地施用。據1976年統計顯示，當時我國農業生產1/3以上的肥料由畜禽糞便提供。研究發現，畜禽糞便雖然具有許多有益養分，可作為化學肥料的有機替代品，但不可直接作為肥料作用于農作物上，也不可直接作為飼料飼喂動物，未經處理直接使用會導致很多污染問題。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，如流進河流池塘等會造成水體富營養化［15］。在大氣方面，未腐熟的糞便會在大自然的光、熱及微生物作用下分解，分解過程中會持續產生甲烷、氨氣等溫室氣體［16］。同時未經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，如不能及時處理，惡臭氣味會滋生蚊蟲、細菌，甚至惡化大氣質量。在安全性方面，未腐熟的禽畜糞便大多都是有機態或緩釋狀態，直接作為肥料不僅不利于農作物直接吸收，還會造成植物生存環境變差，農作物不能吸收的營養物質會被其他雜草和害蟲等奪取吸收。只有通過腐熟才能將糞便中復雜、不穩定的有機成分分解轉化為速效態的簡單、穩定的有機質成分，才能快速被植株吸收［17］。同時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［18-20］，未經處理直接進入農田，不僅影響植物健康生長，導致病蟲害發生，還會影響農作物的正常產出，人們食用后甚至會影響身體健康［18］。

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

2 無害化處理糞便的常見方法

目前畜禽糞便主要作為肥料、飼料和沼氣進行二次利用。畜禽糞便的無害化處理方法較多，主要有干燥處理、好氧堆肥、沼氣發酵等［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養成分。好氧發酵糞便最終產物臭氣少，且較干燥，容易包裝、施用，可作為土壤改良劑或有機肥料應用于農業生產，但好氧發酵糞便周期長、處理技術單一，不可及時處理產生的大批量畜禽糞便。沼氣發酵處理畜禽糞便可實現無害和減量的目標，但難以實現統一和規范處理，不可快速處理大量畜禽糞便。

表2 無害化處理畜禽糞便的常見方法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、處理技術單一的問題，目前許多科學家致力于昆蟲轉化禽畜糞便的研究，旨在消除污染的同時，以禽畜糞便為底物生產昆蟲蛋白源飼料。自然界中有許多昆蟲的幼蟲以禽畜糞便為食，例如家蠅、糞蠅、麗蠅、水虻等，但除了黑水虻外，其他昆蟲種類大都攜帶病菌或蛹化后會給周圍環境帶來污染，存在危害人類健康的風險［35］。黑水虻幼蟲（Black Soldier Fly Larvae, BSFL）處理畜禽糞便，能分解糞便中的有機質，減少糞便干物質以及病原體等，同時降低糞便中惡臭氣味的排放水平［21］，既環保又經濟。目前關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，以廉價的畜禽糞便為原料生產價值高的昆蟲蛋白［15,36-39］，較少的研究以促進糞便分解、減少畜禽糞便干物質的質量為主要目標。利用黑水虻處理糞便時，當BSFL產生量最大時，糞便里的有機質卻不一定完全被BSFL分解，有可能是黑水虻的接種量不夠導致畜禽糞便的有機質大量剩余，繼續增加BSFL的接種量，畜禽糞便還可繼續被分解。根據國內外關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畜禽糞便分解的方法。

3.1 控制BSFL接種量

傳統堆肥方法的周期較長，夏季需要至少2個月才能使糞便腐熟，冬季則需3～4個月。為了加速堆肥的過程，人們尋求高效分解劑，從而縮短堆肥過程，BSFL就是其中一種。BSFL可以有效地將糞便轉化為肥料，同時保持加速堆肥的過程并提高最終堆肥的質量。研究發現，BSF通過以畜禽糞便、餐廚垃圾為食，可轉化為蛋白含量豐富的BSFL，具有生長速度快、轉化率高的優勢。Liu等［40］將BSFL接種到3種不同類型的糞便中，以未接種BSFL的3種糞便作對比，堆肥9 d，結果表明，BSFL的接種改善了總養分和有機質的降解，BSFL堆肥對有機質的降解率為20.31%～22.18%，顯著增加了總磷、總凱氏氮和總營養素。BSFL作為高效轉化劑用于將有機肥料轉化為穩定堆肥，特別適用于發展中國家［41］。同時，研究發現，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，結果發現BSFL可以極大減少雞糞的初始量，初始雞糞質量減少了75%以上，并有利于其作為昆蟲生物量和類似堆肥剩余物的總回收和利用，從而BSFL堆肥成為清潔、可持續管理雞糞的有用工具。

BSFL被用作不同肥料堆肥的接種物，可以加速堆肥過程并提高最終堆肥質量。適量的BSFL接種量可加速堆肥的分解速率。接種量過高或過低，BSFL分解畜禽糞便的效率都會受到影響。接種量過低，糞便里的有機質分解不完全；接種量過大，糞便里的有機質可完全被分解，但需要耗費更高的成本。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蛹化時結束試驗。結果顯示，處理1 t鴨糞，BSF適宜投放量是60～70 g蟲卵對應的幼蟲。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，結果顯示，0.8 g BSFL處理組的各個指標均高于其他處理組，對豬糞的利用率最高。

3.2 根據糞便類型調整糞便用量

不同的畜禽糞便含有不同的營養成分，因此利用BSFL處理糞便時，為得到最大的糞便分解量，需要根據糞便類型調整糞便用量。Myers等［45］每天給300頭4日齡的BSFL分別喂食27、40、54、70 g牛糞，結果發現，每天飼喂27 g牛糞的BSFL，可使糞便干物質質量減少58%，而每天飼喂70 g牛糞的BSFL，糞便干物質質量僅減少33%。Miranda等［46］給300頭4日齡的BSFL喂食27 g和40 g牛糞，結果表明，飼喂更多牛糞的BSFL發育時間縮短了，從幼蟲發育到成蟲的體重也增大了，但減少了資源消耗，干物質的減少量降低了22%；同時還發現，整個飼喂率的差異較顯著，可能是由于密度（100頭幼蟲對300頭幼蟲）和進食頻率（每天或隔天進食）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的進食頻率。楊安妮等［47］采用單因素實驗設計不同比例的雞糞飼料，發現BSFL對20%的雞糞的消耗最大，對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4日齡BSFL，結果發現鴨糞含量為0%～60%，BSFL對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，糞便的消耗逐漸減少，得出鴨糞添加量在60%時，BSFL對鴨糞的消耗達到最大。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行共消化，結果顯示各種糞肥混合飼料中糞便質量減少的百分比顯著增加。牛糞和雞糞混合為BSFL帶來更好的消化性能。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果，以40%牛糞和60%雞糞混合（DM40）最佳，DM40既滿足對營養豐富的幼體產量的要求，又滿足有機物質量的降低要求。牛糞與雞糞共消化提供了一種同時管理多種廢物流的方法，同時有利于畜禽糞便干物質的減少和生物轉化，以及提高BSFL存活率并縮短開發時間［46］。有關畜禽糞便添加量與BSFL接種量的適宜比例見表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 利用黑水虻與細菌共轉化糞便

黑水虻和細菌建立有效的糞肥共轉化過程，可以大大縮短畜禽糞便的堆肥時間，細菌可促進糞便的轉化和減少糞便量。Xiao等［50］通過將BSFL和從BSFL腸道分離出的枯草芽孢桿菌BSFCL菌株進行共轉化，接種6日齡BSFL和含BSFCL的雞糞共轉化13 d產生衰老幼蟲，然后進行11 d有氧發酵，再接種分解劑使其成熟。結果顯示，與對照（無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，接種分解劑的殘渣成熟度更高，接種有分解劑的殘留物更適合作為有機肥。BSFL及其協同細菌對雞糞的共轉化和分解劑的需氧發酵都僅需24 d。與傳統堆肥工藝相比，共轉化工藝大大縮短雞糞的堆肥時間，同時腸道細菌促進糞便轉化和減少糞便。Rehman等［49］認為，牛糞和雞糞的比例為2:3（DM40）時對BSFL生物量增加和糞便減少具有良好效果。研究DM40與6株外源細菌的相互作用，結果表明，與僅使用BSFL進行轉化的處理組相比，加入MRO2菌株（6種外源細菌之一）的最高干廢物質量減少率為48.77%，MRO2菌株和BSFL的相互作用可增強DM和CHM的生物轉化。Lorenzo等［51］從BSF卵中分離出9種細菌（FE01～FE09），并從幼蟲腸道中分離出1種BSF-CL。將這些伴生細菌與BSFL一起接種到雞糞中，結果表明，幾乎所有細菌中的單個細菌均顯著促進BSFL生長。但用糞便中的FE01、FE04、FE08和BSF-CL與對照組相比，糞便減少率更高；當伴生細菌以FE01:FE04:FE08:BSFCL=1:1:1:4比例混合時，最大糞便減少率達到52.91%。伴生細菌幫助BSFL減少糞便污染，優化混合細菌和BSFL的共轉化可提高轉化效率。肖小朋等［52］對雞糞堆肥和豬糞堆肥中的細菌進行分析，將篩選到的多種細菌分別接種到無菌雞糞中與自主馴化培育的武漢BSFL共轉化，結果表明，復配比例為 R-07:R-09:F-03:F-06=4:1:1:1 時效果最好，與空白對照相比，雞糞減少率增加了7.69%，證明通過添加篩選優化的非水虻來源的微生物復合菌劑能夠促進水虻高效轉化雞糞。

3.4 調控糞便處理的適宜環境條件

BSFL有促進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提供一個良好的生長環境以促進畜禽糞便分解。BSFL的處理效率受底物特性的影響很大，環境條件極大影響幼蟲的發育以及廢物與生物量的轉化率。關于BSFL的適宜生長條件，Singh等［26］認為在溫度27 ℃、相對濕度70%、pH＞6、畜禽糞便水分含量在40%～60%之間的條件下，最適合BSFL的發育和生長，此時BSFL存活率最高，畜禽糞便的干物質減少量也達到最大。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，結果表明，當溫度為28～30 ℃、糞便含水量為75%時豬糞處理效率較高，糞便在第10天后即可結束處理。雷小文等［54］探討利用BSF資源化處理集約化雞場養殖廢棄物技術，結果顯示，BSF蟲卵最佳孵化條件為環境溫度30 ℃、濕度80%，處理廢棄物時間為7～10 d。適宜BSF生長的環境，能促進畜禽糞便的分解。

4 展望

BSFL堆肥是一種新興的既環保又經濟的糞便處理技術，具有巨大潛力，目前已在全球范圍內引起人們的廣泛關注。使用BSFL處理糞肥，不僅能降低糞便中的有害物質水平、氣味排放水平，減少畜禽糞便的干物質，同時還可將價值低的糞便轉化為價值高的動物蛋白等。BSFL生產的蛋白質可以對畜禽糞便處理的經濟性產生積極影響。BSFL堆肥促進高資源回收率和產生增值產品，從而為發展中國家的工業部門和企業開發新的經濟優勢［26,55］。盡管目前BSFL已被應用于畜禽糞便處理，但黑水虻處理糞便還存在以下問題：首先，工業化、大規模的處理仍處于探索階段；其次，目前相關領域仍存在大部分空白，BSFL堆肥背后的分解機制和積累效應仍未被詳細解析，由BSFL分解畜禽糞便產生的動物蛋白飼料是否存在安全性問題值得關注。目前人們對昆蟲產品的大規模生產和利用在社會心理障礙方面仍然存在相當大的挑戰［26］，需要繼續深入研究BSFL堆肥分解畜禽糞便的分解機制和積累效應，為BSFL用于畜禽糞便管理提供新的視角。