邱美珍，謝菊蘭，張 星，劉啟紅，陳偉茹，朱靜波，黃紅波

（1.湖南省畜牧獸醫(yī)研究所，湖南長沙410131；2.長沙縣隆廣生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司，湖南長沙410100；3.瀏陽市雙豐農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，湖南瀏陽410300）

畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的比重持續(xù)增長，由1978 年的15.0%提高到2016 年的28.3%[1]。但畜禽糞污帶來的環(huán)境問題也日益突出，未經(jīng)處理的畜禽糞污直接排放會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差、水體富營養(yǎng)化和病原微生物增加，進(jìn)一步影響畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)畜禽糞便也是一種寶貴的資源，科學(xué)處理、有效利用、變廢為寶已經(jīng)成為人們的共識(shí)，不僅可達(dá)到污染治理、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，更能促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)。在全國畜牧總站推薦的9 種畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用技術(shù)模式中，都涉及到生物轉(zhuǎn)化技術(shù)過程。生物轉(zhuǎn)化又稱“代謝轉(zhuǎn)化”，即外來化合物在生物體內(nèi)經(jīng)酶催化或非酶作用下所發(fā)生的化學(xué)變化過程。本文重點(diǎn)介紹畜禽糞污資源化利用過程中生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，旨在為畜禽糞污的有效利用提供參考。

1 在畜禽糞污資源化利用中微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)

1.1 堆肥

微生物轉(zhuǎn)化是通過微生物細(xì)胞將復(fù)雜的底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，也就是利用微生物代謝過程中產(chǎn)生的某個(gè)或某一系列的酶對(duì)底物特定部位（基因）進(jìn)行的催化反應(yīng)。

堆肥本質(zhì)是某些微生物將一種物質(zhì)（底物）轉(zhuǎn)化成為另一種物質(zhì)（產(chǎn)物），是微生物轉(zhuǎn)化過程，這一過程由某些微生物產(chǎn)生的一種或幾種特殊的胞外或胞內(nèi)酶作為生物催化劑進(jìn)行的一種或幾種化學(xué)反應(yīng)。堆肥過程中微生物數(shù)量巨大、菌系組成變化非常復(fù)雜，王亞飛和康健[2-3]等在堆肥中研究顯示可培養(yǎng)菌數(shù)量分別為：放線菌（106）、細(xì)菌（1011）、真菌（104），菌落演替非常迅速，可培養(yǎng)微生物數(shù)量在整個(gè)堆肥過程中呈現(xiàn)“高→低→高”的變化趨勢(shì)。細(xì)菌的數(shù)量在其中占據(jù)主導(dǎo)地位，比真菌和放線菌數(shù)量高出105～107個(gè)數(shù)量級(jí)，是整個(gè)堆肥過程中的優(yōu)勢(shì)菌種。這充分說明微生物利用可溶性和易降解性有機(jī)物作為營養(yǎng)和能量來源轉(zhuǎn)化成自身的物質(zhì)，轉(zhuǎn)化過程伴隨著可利用底物的減少菌落發(fā)生更替。

王亞飛的研究還表明，不同畜禽糞便在堆肥過程中可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量的變化存在明顯差異，雞糞堆肥的可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量最多，豬糞最少。堆肥前真菌數(shù)量是牛糞堆肥最多，羊糞最少。堆肥中放線菌數(shù)量除豬糞堆肥減少外，牛糞、雞糞、羊糞三個(gè)堆肥處理都增加，以羊糞堆肥增長幅度最大，這一現(xiàn)象說明不同的底物類型直接影響堆肥中微生物的數(shù)量和種類。

堆肥運(yùn)行溫度將直接影響微生物轉(zhuǎn)化進(jìn)程，因?yàn)闇囟仁怯绊懳⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)、活性、新陳代謝和生長速度的主要因素，從酶活性的角度也能證實(shí)了這一點(diǎn)。曹云[4]等研究了牛糞、豬糞、雞糞3 種堆肥中微生物酶活性的變化，3 種堆肥中脫氫酶活性均先上升后下降；蛋白酶活性隨堆肥溫度的升高而上升；纖維素酶活性呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，但雞糞堆肥中纖維素酶活性則呈先上升后下降趨勢(shì)。在堆肥過程中過氧化氫酶活性的高低與放線菌的數(shù)量呈正相關(guān)。說明隨著微生物數(shù)量的增加，酶活性升高，堆肥腐熟也越快。簡(jiǎn)言之，堆肥即為一種利用微生物酶或微生物本身的轉(zhuǎn)化技術(shù)。

1.2 沼氣發(fā)酵

沼氣發(fā)酵是有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下被各類微生物分解轉(zhuǎn)化，最終產(chǎn)生甲烷的過程。學(xué)者們通過高通量測(cè)序分析沼氣工程系統(tǒng)中微生物多養(yǎng)性，顯示有4 類微生物參與：初級(jí)發(fā)酵菌（水解菌）、次級(jí)發(fā)酵菌（互營菌）、產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌[5-7]。和堆肥一樣，底物類型和運(yùn)行溫度是影響沼氣發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。芮俊鵬等[7]研究顯示，在同樣的溫度條件下，銨態(tài)氮與磷酸鹽的比例直接影響豬糞原料沼氣工程系統(tǒng)原核微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性。隨著銨態(tài)氮磷酸鹽比例的提高，產(chǎn)甲烷絲狀菌逐漸被產(chǎn)甲烷古細(xì)菌代替，底物濃度影響微生物群落組成，群落組成與底物濃度共同影響微生物轉(zhuǎn)化效率。在產(chǎn)甲烷菌中，Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果顯示僅甲烷桿菌（Methanospirillum）的比例與容積產(chǎn)氣率呈顯著正相關(guān)。所以產(chǎn)甲烷菌的群落組成是影響沼氣工程系統(tǒng)產(chǎn)甲烷效率的另一個(gè)重要生物因素。

由此可見，底物的不同將影響微生物生長類型。趙光[8]等在牛糞和水稻秸稈糖漿廢水沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中證實(shí)了這一結(jié)論，以單一底物牛糞8%TS 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，末端液相發(fā)酵產(chǎn)物以乙酸為主，占揮發(fā)酸總量的78.7%，并顯著抑制丙酸濃度積累。生物膜表面優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種群為不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter sp.）、假單胞菌屬（Pseudomonas sp.）和黃桿菌屬（Flavobacterium sp.），而利用水稻秸稈和糖漿廢水混合底物8%TS 的CSTR 產(chǎn)酸系統(tǒng)運(yùn)行至30 d 時(shí)，pH 迅速降為6.42，乙酸濃度為3210 mg/L，占揮發(fā)酸總量72.2%。產(chǎn)酸相優(yōu)勢(shì)細(xì)菌主要來源于厚壁菌門（Firmicutes），其次是擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria），占CSTR 產(chǎn)酸系統(tǒng)中微生物總數(shù)的90%以上。

學(xué)者們分析發(fā)酵系統(tǒng)底物的不同，直接影響發(fā)酵系統(tǒng)中酶結(jié)構(gòu)，而酶結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了微生物菌群的不同。秦磊[9]在研究微藻、酵母單培養(yǎng)和混合培養(yǎng)利用牛場(chǎng)沼液時(shí)表明，混合培養(yǎng)可以強(qiáng)化微生物轉(zhuǎn)化，增加生物量產(chǎn)率，原因是混合培養(yǎng)能從培養(yǎng)環(huán)境中固定更多的C、N，且獲得更高的油脂、蛋白及高位熱值產(chǎn)量，這與生物轉(zhuǎn)化的兩種酶密切相關(guān)，在NH3-N 充足時(shí)，混合培養(yǎng)體系中普通小球藻（C.vulgaris）的氮同化關(guān)鍵基因硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶II（GSⅡ）的轉(zhuǎn)錄水平均低于微藻單培養(yǎng)體系，微藻單培養(yǎng)中NH3-N 的耗盡，使得微藻啟動(dòng)NO3-同化進(jìn)程，伴隨著NR 轉(zhuǎn)錄水平的急劇升高。

除底物濃度外，有數(shù)據(jù)顯示溫度對(duì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷微生物菌群結(jié)構(gòu)影響較大，產(chǎn)甲烷相在30 ℃、25 ℃和22 ℃穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群屬為Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes；20 ℃時(shí)過渡為以Proteobacteria為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群的群落組成，占微生物群落總數(shù)的71.36%。低溫運(yùn)行時(shí)甲烷八疊球菌屬（Methanosarcina sp.）和甲烷桿菌屬（Methanobacterium sp.） 始終存在，Methanosarcina sp.屬最優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌[8-10]。

2 在畜禽糞污資源化利用中蟲體轉(zhuǎn)化技術(shù)

2.1 蠅蛆生物轉(zhuǎn)化

蠅蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)利用蠅幼蟲的生長代謝過程，在適當(dāng)條件下將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為蟲體生物量并顯著改善有機(jī)物生化性狀[11]。該技術(shù)集好氧、生物氧化固定、非嗜熱過程于一體[11-13]，利用蟲體嚼碎、混合基質(zhì)底物并促進(jìn)微生物活性，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的降解與穩(wěn)定．

蠅蛆生物轉(zhuǎn)化最重要的是氮的轉(zhuǎn)化，在有機(jī)質(zhì)礦化及水分減量化過程中，蟲體內(nèi)臟中的蛋白酶催化含氮化合物的解聚反應(yīng)，將其分解為溶解性有機(jī)氮[14]，再通過蟲體及微生物進(jìn)一步降解，使所利用的干物質(zhì)總氮含量上升。而含氮量的多少取決于原基質(zhì)氮含量及降解轉(zhuǎn)化程度。幾乎在同一時(shí)期，又有學(xué)者以溫室大棚輔助蠅蛆生物反應(yīng)器，將動(dòng)物糞便轉(zhuǎn)化為腐熟度高、穩(wěn)定性好且養(yǎng)分充足的有機(jī)堆肥，并獲得數(shù)量可觀且高附加值的蠅蛆蛋白［15］。

2.2 黑水虻蛆生物轉(zhuǎn)化

黑水虻蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)通過黑水虻幼蟲將大量的有機(jī)廢棄物迅速地轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，并顯著改善有機(jī)物生化性狀從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、人體健康與經(jīng)濟(jì)增長各方面和諧可持續(xù)發(fā)展[16-18]。黑水虻蛆的轉(zhuǎn)化糞污因具有無害化、減量化、高值化、成蟲不擾民等特點(diǎn)，倍受研究團(tuán)隊(duì)和小型養(yǎng)殖場(chǎng)的關(guān)注，黃芩[17]用10 日齡的虻蛆轉(zhuǎn)化豬糞，糞便總重減少了36.72%，含水量從67%減少為63%；豬糞總氮減少了31.58%，并生產(chǎn)出含高蛋白（45%）和脂肪（36%）的蛹,而且水虻對(duì)豬糞進(jìn)行轉(zhuǎn)化的同時(shí)還能起到去臭的效果。這為建立豬糞虻蛆轉(zhuǎn)化體系提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。陳海洪[18]等研究表明黑水虻幼蟲在處理豬糞時(shí)，也得到了相似的結(jié)果，用新鮮豬糞飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲生長速度呈先快后慢的生長趨勢(shì)，粗蛋白含量可達(dá)為35.7%～39%，粗脂肪含量為14.7%～21.2%，黑水虻的幼蟲和預(yù)蛹可作為豆粕和魚粉等蛋白質(zhì)飼料的替代品；用黑水虻處理新鮮豬糞，產(chǎn)生的蟲沙水分含量為55.1%～56.3%，總養(yǎng)分 (氮+磷+鉀)含量達(dá)5.3%～5.53%，是高檔的有機(jī)肥料。

2.3 蚯蚓生物轉(zhuǎn)化

蚯蚓可將廢棄物中的有機(jī)物變成腐殖質(zhì)而用于堆肥。蚯蚓消化道分泌的蛋白質(zhì)酶、脂肪酶、纖維素酶、甲殼酶、淀粉酶等，對(duì)絕大多數(shù)有機(jī)廢棄物具有很強(qiáng)的吞噬能力，經(jīng)蚯蚓處理過的城市有機(jī)垃圾，質(zhì)量減量最高可達(dá)69.8%，生物降解率高為75.0% ，處理后蚯蚓糞，速效氮、速效磷和速效鉀含量指標(biāo)均在較高水平，是高效的有機(jī)肥[19]。生產(chǎn)的蚯蚓可用作藥材、餌料、飼料資源用[20]。

在蚯蚓生物轉(zhuǎn)化技術(shù)中，細(xì)菌和真菌群落的變化在蚯蚓堆肥中起主要作用，影響有機(jī)質(zhì)降解過程。利用PCR-DGGE 技術(shù)分析有機(jī)質(zhì)底物(橄欖廢渣與羊糞8∶1 混合) 及其堆肥產(chǎn)物的細(xì)菌16S rRNA 基因序列，分別得到20、30 條清晰條帶，且堆肥產(chǎn)物的基因條帶亮度明顯高于對(duì)照，表明蚯蚓堆肥不僅豐富了基質(zhì)細(xì)菌群落多樣性，同時(shí)增加了細(xì)菌多樣性并增強(qiáng)其活性[21]。

2.4 蟲體生物轉(zhuǎn)化技術(shù)比較

蠅蛆、虻蛆和蚯蚓生物轉(zhuǎn)化均屬蟲體堆肥處置有機(jī)廢棄物的生物降解技術(shù)，但就工藝模式、處理周期及效果等方面［11，12，16-19］存在較大差異，具體見表1。

表1 蠅蛆、虻蛆和蚯蚓生物轉(zhuǎn)化技術(shù)比較

3 展望

畜禽糞污就像一把雙刃劍，其中可能含有病原微生物、藥物殘留、重金屬超標(biāo)等，如處理不當(dāng)，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且造成資源巨大浪費(fèi)；處理得當(dāng)，在緩解環(huán)境壓力同時(shí)還會(huì)提供新的資源和能源，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。畜禽糞污的兩重性促使人們進(jìn)行資源化利用。不管哪種畜禽糞污資源化方式都涉及生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，探索畜禽糞便堆肥、蟲體轉(zhuǎn)化、沼氣發(fā)酵過程中生化轉(zhuǎn)化技術(shù)以及微生物種群演變規(guī)律及酶活性機(jī)理，可為畜禽糞便資源化利用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，對(duì)我國畜禽糞便資源化利用研究具有非常重要的意義。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)不斷進(jìn)步，機(jī)械工藝、發(fā)酵科學(xué)、能源學(xué)等學(xué)科融合發(fā)展，將加快“禽畜糞便能源化、肥料化、高值化”研究進(jìn)程。為生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在畜禽糞污資源化利用中廣泛應(yīng)用提供發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展宗旨。