黑水虻堆肥促畜禽粪便分解的研究进展

随着人口增多，畜禽养殖业高速发展，预计到2050年，全球奶类和肉类的需求量将比2010年分别增长70%和58%［1-2］，随之而来的是大量畜禽粪便的产生，如处理不当易造成土壤、空气、水污染等［3-4］。根据第一次全国污染源调查，2007年我国大规模畜禽养殖产生粪便2.43亿t；2017年农业部数据显示，当前我国每年畜禽粪污产生量约38亿t，综合利用率不足60%［5-6］，造成日益严重的环境污染问题。目前堆肥主要以自然堆肥为主，自然堆肥成本低、易操作，但存在处理规模小、占地面积大、腐熟慢、效率低、易受天气影响等问题，不能满足对大批量畜禽粪便进行高效率、高质量的处理［7］。随着畜禽粪便数量越来越多，迫切需要开发一种能高效减少废物并环保安全的新型粪便处理技术，以确保可持续利用养分并减轻对环境的影响，同时满足畜牧业的未来需求。目前国内外关于处理畜禽粪便的研究，主要是利用资源昆虫进行堆肥，其中对亮斑扁角水虻（又叫黑水虻，Black Soldier Fly，BSF）的研究最多［8-10］。本文综述了目前畜禽粪便处理的常见方法，并归纳分析利用黑水虻加速粪便分解的方法，以期为高效、统一、工业化处理畜禽粪便提供理论基础。

1 畜禽粪便的特点

畜禽粪便中含有丰富的有机物和氮、磷、钾、钙、镁、硫等多种矿物质及微量元素，可以满足作物生长过程中对多种养分的需要［11-12］。从表1可见，不同的畜禽粪便有不同含量的营养成分［13］。在过去畜禽粪便常被用来增加农作物的产量并改善土壤的化学和物理性质［14］，大多直接就地施用。据1976年统计显示，当时我国农业生产1/3以上的肥料由畜禽粪便提供。研究发现，畜禽粪便虽然具有许多有益养分，可作为化学肥料的有机替代品，但不可直接作为肥料作用于农作物上，也不可直接作为饲料饲喂动物，未经处理直接使用会导致很多污染问题。在水源方面，畜禽粪便作为肥料施用后，粪便中的氮、磷易从耕地中流失，如流进河流池塘等会造成水体富营养化［15］。在大气方面，未腐熟的粪便会在大自然的光、热及微生物作用下分解，分解过程中会持续产生甲烷、氨气等温室气体［16］。同时未经处理的畜禽粪便含有硫化氢和胺等伴有恶臭气味的有害气体，如不能及时处理，恶臭气味会滋生蚊虫、细菌，甚至恶化大气质量。在安全性方面，未腐熟的禽畜粪便大多都是有机态或缓释状态，直接作为肥料不仅不利于农作物直接吸收，还会造成植物生存环境变差，农作物不能吸收的营养物质会被其他杂草和害虫等夺取吸收。只有通过腐熟才能将粪便中复杂、不稳定的有机成分分解转化为速效态的简单、稳定的有机质成分，才能快速被植株吸收［17］。同时禽畜粪便还含有有毒重金属、抗生素和病原微生物等有毒有害物质［18-20］，未经处理直接进入农田，不仅影响植物健康生长，导致病虫害发生，还会影响农作物的正常产出，人们食用后甚至会影响身体健康［18］。

表1 常见畜禽粪便的养分含量［13］
Table 1 Nutrient content of common livestock and poultry manure （g/kg）

2 无害化处理粪便的常见方法

目前畜禽粪便主要作为肥料、饲料和沼气进行二次利用。畜禽粪便的无害化处理方法较多，主要有干燥处理、好氧堆肥、沼气发酵等［4, 18, 21-34］（表2）。从表2可知，干燥处理成本较低，但处理后的畜禽粪便损失较多的营养成分。好氧发酵粪便最终产物臭气少，且较干燥，容易包装、施用，可作为土壤改良剂或有机肥料应用于农业生产，但好氧发酵粪便周期长、处理技术单一，不可及时处理产生的大批量畜禽粪便。沼气发酵处理畜禽粪便可实现无害和减量的目标，但难以实现统一和规范处理，不可快速处理大量畜禽粪便。

表2 无害化处理畜禽粪便的常见方法
Table 2 Common methods for the harmless disposal of livestock and poultry manure

3 利用黑水虻处理畜禽粪便

处理畜禽粪便最常用的方法是有氧堆肥［24-32］，为了解决常用堆肥方法周期长、处理技术单一的问题，目前许多科学家致力于昆虫转化禽畜粪便的研究，旨在消除污染的同时，以禽畜粪便为底物生产昆虫蛋白源饲料。自然界中有许多昆虫的幼虫以禽畜粪便为食，例如家蝇、粪蝇、丽蝇、水虻等，但除了黑水虻外，其他昆虫种类大都携带病菌或蛹化后会给周围环境带来污染，存在危害人类健康的风险［35］。黑水虻幼虫（Black Soldier Fly Larvae, BSFL）处理畜禽粪便，能分解粪便中的有机质，减少粪便干物质以及病原体等，同时降低粪便中恶臭气味的排放水平［21］，既环保又经济。目前关于黑水虻处理畜禽粪便的研究主要以增加BSFL生物量为目标，以廉价的畜禽粪便为原料生产价值高的昆虫蛋白［15, 36-39］，较少的研究以促进粪便分解、减少畜禽粪便干物质的质量为主要目标。利用黑水虻处理粪便时，当BSFL产生量最大时，粪便里的有机质却不一定完全被BSFL分解，有可能是黑水虻的接种量不够导致畜禽粪便的有机质大量剩余，继续增加BSFL的接种量，畜禽粪便还可继续被分解。根据国内外关于畜禽粪便处理的研究，综述几种利用黑水虻堆肥处理畜禽粪便并促进畜禽粪便分解的方法。

3.1 控制BSFL接种量

传统堆肥方法的周期较长，夏季需要至少2个月才能使粪便腐熟，冬季则需3～4个月。为了加速堆肥的过程，人们寻求高效分解剂，从而缩短堆肥过程，BSFL就是其中一种。BSFL可以有效地将粪便转化为肥料，同时保持加速堆肥的过程并提高最终堆肥的质量。研究发现，BSF通过以畜禽粪便、餐厨垃圾为食，可转化为蛋白含量丰富的BSFL，具有生长速度快、转化率高的优势。Liu等［40］将BSFL接种到3种不同类型的粪便中，以未接种BSFL的3种粪便作对比，堆肥9 d，结果表明，BSFL的接种改善了总养分和有机质的降解，BSFL堆肥对有机质的降解率为20.31%～22.18%，显著增加了总磷、总凯氏氮和总营养素。BSFL作为高效转化剂用于将有机肥料转化为稳定堆肥，特别适用于发展中国家［41］。同时，研究发现，利用BSFL堆肥可显著增加粪便的分解量。Bortolini等［42］将BSFL接种到鸡粪中，结果发现BSFL可以极大减少鸡粪的初始量，初始鸡粪质量减少了75%以上，并有利于其作为昆虫生物量和类似堆肥剩余物的总回收和利用，从而BSFL堆肥成为清洁、可持续管理鸡粪的有用工具。

BSFL被用作不同肥料堆肥的接种物，可以加速堆肥过程并提高最终堆肥质量。适量的BSFL接种量可加速堆肥的分解速率。接种量过高或过低，BSFL分解畜禽粪便的效率都会受到影响。接种量过低，粪便里的有机质分解不完全；接种量过大，粪便里的有机质可完全被分解，但需要耗费更高的成本。钟志勇等［43］将孵化好的9日龄BSFL按不同投放量（0.3、0.35、0.4 g）接种到5 kg新鲜鸭粪中，待5%BSFL蛹化时结束试验。结果显示，处理1 t鸭粪，BSF适宜投放量是60～70 g虫卵对应的幼虫。陈海洪等［44］将不同投放量的3龄（7～8 日龄）BSFL（0.8、1.0、1.2 g）接种到10 kg新鲜猪粪中，结果显示，0.8 g BSFL处理组的各个指标均高于其他处理组，对猪粪的利用率最高。

3.2 根据粪便类型调整粪便用量

不同的畜禽粪便含有不同的营养成分，因此利用BSFL处理粪便时，为得到最大的粪便分解量，需要根据粪便类型调整粪便用量。Myers等［45］每天给300头4日龄的BSFL分别喂食27、40、54、70 g牛粪，结果发现，每天饲喂27 g牛粪的BSFL，可使粪便干物质质量减少58%，而每天饲喂70 g牛粪的BSFL，粪便干物质质量仅减少33%。Miranda等［46］给300头4日龄的BSFL喂食27 g和40 g牛粪，结果表明，饲喂更多牛粪的BSFL发育时间缩短了，从幼虫发育到成虫的体重也增大了，但减少了资源消耗，干物质的减少量降低了22%；同时还发现，整个饲喂率的差异较显著，可能是由于密度（100头幼虫对300头幼虫）和进食频率（每天或隔天进食）的差异所致，因此给BSFL提供适宜的粪便含量还需考虑饲喂密度和BSFL的进食频率。杨安妮等［47］采用单因素实验设计不同比例的鸡粪饲料，发现BSFL对20%的鸡粪的消耗最大，对100%鸡粪的消耗反而最低。马加康等［48］用含不同比例的新鲜鸭粪饲养4日龄BSFL，结果发现鸭粪含量为0%～60%，BSFL对粪便消耗及利用率均随着鸭粪含量的增加而增加，而鸭粪含量在70%以上时，粪便的消耗逐渐减少，得出鸭粪添加量在60%时，BSFL对鸭粪的消耗达到最大。Rehman等［49］建立了6种不同比例的牛粪和鸡粪混合物（DM0、DM20、DM40、DM60、DM80、DM100），其 中DM0仅含有鸡粪，DM100仅具有牛粪，分别将6日龄的BSFL接种到粪便混合物中进行共消化，结果显示各种粪肥混合饲料中粪便质量减少的百分比显著增加。牛粪和鸡粪混合为BSFL带来更好的消化性能。在共消化的混合物中，DM20和DM40比其他肥料混合物显示出更好的结果，以40%牛粪和60%鸡粪混合（DM40）最佳，DM40既满足对营养丰富的幼体产量的要求，又满足有机物质量的降低要求。牛粪与鸡粪共消化提供了一种同时管理多种废物流的方法，同时有利于畜禽粪便干物质的减少和生物转化，以及提高BSFL存活率并缩短开发时间［46］。有关畜禽粪便添加量与BSFL接种量的适宜比例见表3。

表3 畜禽粪便添加量与BSFL接种量的适宜比例
Table 3 Appropriate proportion of livestock and poultry manure addition amount and BSFL inoculation amount

3.3 利用黑水虻与细菌共转化粪便

黑水虻和细菌建立有效的粪肥共转化过程，可以大大缩短畜禽粪便的堆肥时间，细菌可促进粪便的转化和减少粪便量。Xiao等［50］通过将BSFL和从BSFL肠道分离出的枯草芽孢杆菌BSFCL菌株进行共转化，接种6日龄BSFL和含BSFCL的鸡粪共转化13 d产生衰老幼虫，然后进行11 d有氧发酵，再接种分解剂使其成熟。结果显示，与对照（无BSF-CL）相比，BSF-CL接种组鸡粪减少率增加了13.4%。与未分解剂组相比，接种分解剂的残渣成熟度更高，接种有分解剂的残留物更适合作为有机肥。BSFL及其协同细菌对鸡粪的共转化和分解剂的需氧发酵都仅需24 d。与传统堆肥工艺相比，共转化工艺大大缩短鸡粪的堆肥时间，同时肠道细菌促进粪便转化和减少粪便。Rehman等［49］认为，牛粪和鸡粪的比例为2:3（DM40）时对BSFL生物量增加和粪便减少具有良好效果。研究DM40与6株外源细菌的相互作用，结果表明，与仅使用BSFL进行转化的处理组相比，加入MRO2菌株（6种外源细菌之一）的最高干废物质量减少率为48.77%，MRO2菌株和BSFL的相互作用可增强DM和CHM的生物转化。Lorenzo等［51］从BSF卵中分离出9种细菌（FE01～FE09），并从幼虫肠道中分离出1种BSF-CL。将这些伴生细菌与BSFL一起接种到鸡粪中，结果表明，几乎所有细菌中的单个细菌均显著促进BSFL生长。但用粪便中的FE01、FE04、FE08和BSF-CL与对照组相比，粪便减少率更高；当伴生细菌以FE01:FE04:FE08:BSFCL=1:1:1:4比例混合时，最大粪便减少率达到52.91%。伴生细菌帮助BSFL减少粪便污染，优化混合细菌和BSFL的共转化可提高转化效率。肖小朋等［52］对鸡粪堆肥和猪粪堆肥中的细菌进行分析，将筛选到的多种细菌分别接种到无菌鸡粪中与自主驯化培育的武汉BSFL共转化，结果表明，复配比例为 R-07:R-09:F-03:F-06=4:1:1:1 时效果最好，与空白对照相比，鸡粪减少率增加了7.69%，证明通过添加筛选优化的非水虻来源的微生物复合菌剂能够促进水虻高效转化鸡粪。

3.4 调控粪便处理的适宜环境条件

BSFL有促进畜禽粪便分解的功能，为了获得最大的畜禽粪便分解量，需要给BSFL提供一个良好的生长环境以促进畜禽粪便分解。BSFL的处理效率受底物特性的影响很大，环境条件极大影响幼虫的发育以及废物与生物量的转化率。关于BSFL的适宜生长条件，Singh等［26］认为在温度27 ℃、相对湿度70%、pH＞6、畜禽粪便水分含量在40%～60%之间的条件下，最适合BSFL的发育和生长，此时BSFL存活率最高，畜禽粪便的干物质减少量也达到最大。袁橙等［53］研究4日龄BSFL在不同温度（25、28、30 ℃）下处理不同含水量（70%、75%和80%）猪粪的效果，结果表明，当温度为28～30 ℃、粪便含水量为75%时猪粪处理效率较高，粪便在第10天后即可结束处理。雷小文等［54］探讨利用BSF资源化处理集约化鸡场养殖废弃物技术，结果显示，BSF虫卵最佳孵化条件为环境温度30 ℃、湿度80%，处理废弃物时间为7～10 d。适宜BSF生长的环境，能促进畜禽粪便的分解。

4 展望

BSFL堆肥是一种新兴的既环保又经济的粪便处理技术，具有巨大潜力，目前已在全球范围内引起人们的广泛关注。使用BSFL处理粪肥，不仅能降低粪便中的有害物质水平、气味排放水平，减少畜禽粪便的干物质，同时还可将价值低的粪便转化为价值高的动物蛋白等。BSFL生产的蛋白质可以对畜禽粪便处理的经济性产生积极影响。BSFL堆肥促进高资源回收率和产生增值产品，从而为发展中国家的工业部门和企业开发新的经济优势［26, 55］。尽管目前BSFL已被应用于畜禽粪便处理，但黑水虻处理粪便还存在以下问题：首先，工业化、大规模的处理仍处于探索阶段；其次，目前相关领域仍存在大部分空白，BSFL堆肥背后的分解机制和积累效应仍未被详细解析，由BSFL分解畜禽粪便产生的动物蛋白饲料是否存在安全性问题值得关注。目前人们对昆虫产品的大规模生产和利用在社会心理障碍方面仍然存在相当大的挑战［26］，需要继续深入研究BSFL堆肥分解畜禽粪便的分解机制和积累效应，为BSFL用于畜禽粪便管理提供新的视角。

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