胡清泉,沙 茜,鮑曉偉,楊仁燦,常雅潔,陳吉紅,張 斌,趙智勇

(云南省畜牧獸醫(yī)科學院 畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所,云南 昆明 650224)

黑水虻(HermetiaillucensL.) 是一種營腐生性質(zhì)昆蟲,取食范圍廣,生物量大,世代周期短,因可將廢棄生物質(zhì)快速分解、消化、轉(zhuǎn)化為動物蛋白飼料資源、天然抗菌肽資源、生物燃料資源而受到畜牧業(yè)的關(guān)注。利用黑水虻幼蟲處理畜禽養(yǎng)殖糞便是一種處理效率及資源化利用極高的新技術(shù)模式。目前國內(nèi)外對黑水虻的研究主要集中在養(yǎng)殖參數(shù)無害化處理和資源開發(fā)利用方面。無害化處理方面主要集中在利用黑水虻幼蟲處理豬糞、雞糞、鴨糞、牛糞及餐廚垃圾[1-7]等有機廢棄物的研究,結(jié)果表明黑水虻幼蟲能以動物糞便、餐廚垃圾、腐爛有機物為食,迅速將有機廢物轉(zhuǎn)化為自身生物量,生產(chǎn)高附加值的昆蟲產(chǎn)品,當天就能完成有機廢棄物的轉(zhuǎn)化,生長速度及轉(zhuǎn)化效率極高。據(jù)報道,黑水虻幼蟲的粗蛋白含量為36.9%～44%,粗脂肪含量為15%～49%,其體內(nèi)含有豐富的多不飽和脂肪酸,不飽和程度與魚油相似,是一種潛在的飼料和食物來源[8]。資源開發(fā)利用方面主要集中在對黑水虻蟲體蛋白的開發(fā)利用及生產(chǎn)生物柴油方面的研究。張金金等[9]研究表明,添加黑水虻幼蟲粉可提高蛋雞產(chǎn)蛋后期的生產(chǎn)性能,改善血清生化指標。Dumas等[10]研究發(fā)現(xiàn),飼料中添加黑水虻油和脫脂黑水虻蟲粉,可提高虹鱒的生長性能和飼料利用率。DE MARCO等[11]指出,黑水虻幼蟲粉是肉仔雞可消化氨基酸與能量的優(yōu)良來源,具有較高的氨基酸表觀回腸消化系數(shù)和表觀代謝能,可作為家禽飼糧的一部分。Li等[2]利用黑水虻幼蟲提取的生物柴油,其各種理化特征與植物油來源的生物柴油相比較更具優(yōu)勢。

近年來,我國對黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化有機廢棄物的研究較多,利用黑水虻幼蟲處理餐廚剩余物在實際工程應(yīng)用及推廣上也取得了一定成果,在陜西渭南縣、江蘇鹽城市、浙江嘉慶市、廣東平遠縣等地都有企業(yè)從事黑水虻處置餐廚垃圾的生產(chǎn)案例[12],但對于黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞的研究主要是在實驗室開展,其實際在養(yǎng)殖場應(yīng)用的具體生產(chǎn)案例較少,針對利用黑水虻幼蟲處理豬糞的規(guī)?；痉饵c的實際處理成效研究方面幾乎沒有相關(guān)報道。本研究主要就祿豐、武定縣、石屏、曲靖4個利用黑水虻處理豬糞的示范推廣點的應(yīng)用情況及成效進行分析總結(jié),通過黑水虻幼蟲處理豬糞,檢測其對豬糞的轉(zhuǎn)化效率影響,比較處理前、處理后豬糞的理化特征參數(shù)差異,黑水虻幼蟲蟲體、蟲沙營養(yǎng)價值及安全性評價,研究分析黑水虻幼蟲處理畜禽養(yǎng)殖糞便在推廣應(yīng)用中的成效,為該技術(shù)進一步推廣應(yīng)用提供參考,促進畜禽養(yǎng)殖廢棄物治理及資源化利用進程,有力推動畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料及幼蟲的培育

黑水虻幼蟲(HermetiaillucensL．)由云南省畜牧獸醫(yī)科學院提供,在祿豐、武定縣、石屏、曲靖4個示范點作為種蟲飼養(yǎng)。產(chǎn)卵后,將收集到的蟲卵稱量分組,每組50 g,置于培養(yǎng)箱中進行孵化,溫度為32±1 ℃,濕度控制在60%～90%。幼蟲用飼料(玉米∶豆粕∶米糠=1∶2∶3)飼養(yǎng),生長至5日齡投入轉(zhuǎn)化池(長×寬×高=2 m×1.5 m×25 cm),處理新鮮豬糞。鮮糞為各示范點內(nèi)生豬糞便,用攪拌機混勻,調(diào)節(jié)水分為70%左右備用。

1.2 試驗方法與管理

試驗于2018年4月10日至4月24日分別在4個示范點同步進行。將孵化后的5日齡幼蟲投放至轉(zhuǎn)化池處理豬糞,每個示范點10個處理池,自然環(huán)境條件下試驗期為15 d。

每個處理池豬糞投喂量為:試驗第1天投喂豬糞5～10 kg,第2天投喂15～20 kg,第3天投喂30～35 kg,第4天投喂45～50 kg,第5天至第15天(試驗結(jié)束)每天投喂50～60 kg,每天分上午、下午兩次投喂。

投喂前需對物料進行翻拋,處理8 d后,及時清除多余的蟲沙,物料高度保持在10～15 cm左右。試驗結(jié)束后,進行蟲糞分離。

1.3 樣品采集與處理

1.3.1 投喂前鮮糞的采集 于試驗第8天至試驗結(jié)束,每天投喂前,采集攪拌均勻的新鮮糞便500 g。

1.3.2 蟲沙樣品的采集 于試驗第8天至試驗結(jié)束,每天投喂前,每個處理池采集蟲沙1 000 g后混勻縮減至500 g。

1.3.3 黑水虻幼蟲的采集 試驗結(jié)束后,每個處理池采集黑水虻幼蟲200 g。

1.3.4 樣品的處理 鮮糞/蟲沙:按每100 g新鮮糞便/蟲沙加入20 mL 4.5 mol/L H2SO4進行預(yù)處理,置于-20 ℃保存待測。

幼蟲:參照黃超[13]對黑水虻幼蟲蛋白質(zhì)體外消化特性與抗氧化活性研究中黑水虻幼蟲微波干燥方法,采用美的微波爐于500 w下微波處理15 min,粉碎后過40 目篩于4 ℃下保存待測。

1.4 測定指標及方法

糞便測定指標:含水率、有機質(zhì)、全磷、全氮;

蟲沙測定指標:含水率、有機質(zhì)、全磷、全氮、蛔蟲卵、重金屬(鉻、鎘、鉛、砷、汞);

蟲體營養(yǎng)價值測定:水分、粗灰分、粗蛋白、氨基酸組成及含量、脂肪酸組成及含量;

方法:糞便、蟲沙中含水率、有機質(zhì)、全磷、全氮等指標參照有機肥料(NY/T 525-2012)[14]方法測定;蟲沙有機肥檢測指標送云南省化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢測;蟲體營養(yǎng)價值參照(GB/T 6435-1986)[15]、粗灰分參照(GB/T 6438-1992)[16]、粗蛋白參照(GB/T6432-2018)[17]方法測定,氨基酸參照(GB/T 18246-2000)[18]方法測定,脂肪酸參照( GB/T17377-2008)[19]方法測定。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析,通過t檢驗來推斷不同示范點的總體均數(shù)是否有差別。結(jié)果用平均值±標準差來表示,P<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞的處理效果

2.1.1 黑水虻幼蟲對豬糞含水率、有機質(zhì)的處理效果 豬糞處理前顏色較深為黑褐色,且粘度較大,經(jīng)黑水虻處理后糞便顏色變?yōu)闇\褐色,表面疏松、平整。處理后,糞便臭味明顯減少, 到轉(zhuǎn)化后期幾乎無明顯臭味,有效抑制家蠅滋生。由圖1可以看出,從5日齡幼蟲處理新鮮豬糞至預(yù)蛹期前,每天均可實現(xiàn)新鮮糞便的轉(zhuǎn)化處理,處理效率極高。受環(huán)境條件、飼料來源等因素影響,不同示范點新鮮豬糞中的理化指標有所差異,含水率為69.45%～73.50%,有機質(zhì)含量為68.46%～72.92%。經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化后含水率明顯下降為43.75%～53.28%。祿豐示范點的蟲沙含水率為46.51%,下降了35.38%;武定示范點蟲沙含水率為44.75%,下降了35.57%,下降率最高;石屏示范點的蟲沙含水率為47.89%,下降了32.76%;曲靖示范點的蟲沙含水率為50.28%,下降了31.59%,下降率最低。祿豐、武定示范點豬糞含水率下降率差異不顯著(P>0.05),石屏、曲靖示范點豬糞含水率下降率差異不顯著(P>0.05),但祿豐、武定與石屏、曲靖示范點間的含水率下降率差異顯著(P<0.05)。豬糞轉(zhuǎn)化后有機質(zhì)含量有了明顯變化,祿豐、武定、石屏、曲靖示范點有機質(zhì)變化量分別為20.05 kg、53.92 kg、39.70 kg、14.55 kg,轉(zhuǎn)化效率分別為11.54%、27.36%、21.72%、9.44%,以武定的轉(zhuǎn)化效率較高,曲靖的轉(zhuǎn)化效率最低,各示范點間有機質(zhì)轉(zhuǎn)化效率差異顯著(P<0.05)。

圖1 豬糞和蟲沙中含水率及有機質(zhì)含量Fig.1 The content of moisture and organic matter in pig manure and insect derived compost

2.1.2 黑水虻幼蟲對豬糞全氮、全磷的處理效果 豬對飼料利用率最高只能達到60%～70%,剩余30%～40%的未被利用營養(yǎng)物質(zhì)存留于豬糞中,黑水虻可將未被利用的營養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化為蟲體蛋白。由圖2可知,黑水虻轉(zhuǎn)化前豬糞中全氮含量為3.12%～3.64%,轉(zhuǎn)化后含量為1.35%～1.58%,祿豐、武定、石屏、曲靖示范點全氮轉(zhuǎn)化變化量分別為4.78 kg、7.04 kg、6.03 kg、4.21 kg,全氮轉(zhuǎn)化率以石屏示范點的最高為71.13%,曲靖示范點的轉(zhuǎn)化率最低為59.92%,各示范點間全氮轉(zhuǎn)化效率差異顯著(P<0.05)。轉(zhuǎn)化前豬糞中全磷含量為2.14%～2.64%,轉(zhuǎn)化后含量為1.36%～1.74%。全磷轉(zhuǎn)化率以武定示范點的最高為61.73%,以曲靖示范點的最低為42.83%,各示范點間全磷轉(zhuǎn)化效率差異顯著(P<0.05)。

圖2 黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞全氮、全磷效果Fig.2 The conversion efficiency of total nitrogen and total phosphorus

2.1.3 黑水虻幼蟲對豬糞的轉(zhuǎn)化效果 在黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞過程中4個示范點的50 g黑水虻卵孵化后的幼蟲共計轉(zhuǎn)化新鮮豬糞分別為867.50 kg、890.00 kg、870.87 kg、850.00 kg,轉(zhuǎn)化后獲得蟲沙分別為370.51 kg、330.43 kg、348.06 kg、380.24 kg,獲得新鮮黑水虻幼蟲分別為122.42 kg、128.56 kg、129.45 kg、111.73kg(圖3)。數(shù)據(jù)分析表明,4個示范點間豬糞減重率差異顯著(P<0.05),最高可達62.87%,最低為55.27%。鮮蟲獲得率(豬糞重:鮮蟲重)最高為6.73∶1,最低為7.61∶1,即轉(zhuǎn)化6.73～7.61 kg豬糞,可獲得1 kg鮮蟲。

圖3 黑水虻幼蟲對豬糞的轉(zhuǎn)化效果Fig.3 Transformation effect of pig manure by black soldier fly larva

2.2 黑水虻幼蟲的營養(yǎng)價值分析

2.2.1 黑水虻幼蟲的常規(guī)營養(yǎng)含量分析 由表1可見,轉(zhuǎn)化豬糞后黑水虻幼蟲干物質(zhì)含量為94.87%～95.21%,各示范點間干物質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)。轉(zhuǎn)化豬糞后黑水虻幼蟲粗蛋白含量為38.08%～41.04%,以祿豐示范點的黑水虻幼蟲粗蛋白含量最高,武定示范點的黑水虻幼蟲粗蛋白含量最低,相差2.96%。粗脂肪含量為28.27%～33.75%,以武定示范點的黑水虻幼蟲粗脂肪含量最高,石屏示范點的黑水虻幼蟲粗脂肪含量最低。粗灰分含量為9.30%～12.55%。4個示范點間粗蛋白、粗脂肪含量差異顯著(P<0.05),祿豐、曲靖示范點的粗灰分含量差異不顯著(P>0.05),但與武定、石屏示范點間差異顯著(P<0.05)。從常規(guī)營養(yǎng)成分含量來看,黑水虻粗蛋白含量和豆粕相當,粗脂肪含量遠高于魚粉和豆粕,說明黑水虻幼蟲可以作為蛋白飼料替代豆粕、魚粉,是一種應(yīng)用價值較高的蛋白飼料。

表1 黑水虻幼蟲粗蛋白、脂肪含量(干物質(zhì)基礎(chǔ))Table 1 The content of CP, EE in black sodier fly larve(DM basis) %

2.2.2 黑水虻幼蟲的氨基酸含量分析 由表2可知,黑水虻幼蟲的氨基酸組成較為均衡,與魚粉、豆粕的氨基酸組成十分接近,必需氨基酸含量與豆粕幾乎一致,組氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸等含量優(yōu)于豆粕。 4個示范點各氨基酸種類組成較為一致,氨基酸中谷氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、組氨酸、精氨酸、纈氨酸含量較為豐富,分別為3.81%～4.15%、3.68%～3.87%、1.08%～1.51%、1.95%～2.40%、2.38%～2.72%、1.97%～2.19%。4個在示范點間亮氨酸含量差異不顯著(P>0.05),其他氨基酸含量在示范點間差異顯著(P<0.05)。蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、含量與魚粉接近,組氨酸、酪氨酸含量分別比魚粉高0.54～1.11個百分點、0.29～0.79個百分點。祿豐、武定、石屏、曲靖示范點黑水虻幼蟲的必需氨基酸總量變化幅度不大,分別為19.63%、19.21%、19.52%、19.45%,高于豆粕中必需氨基酸總量。

表2 黑水虻幼蟲的氨基酸含量Table 2 Amino acid composition and content of black sodier fly larve %

2.2.3 黑水虻幼蟲的脂肪酸含量分析 由表3可知,4個示范點黑水虻幼蟲的脂肪酸含量差異顯著,其不飽和脂肪酸分別占總脂肪酸的46.65%、49.72%、53.56%、53.81%,尤其以油酸、棕櫚油酸含量最高,分別為28.57%和16.10%。從脂肪酸組成來看,黑水虻幼蟲的脂肪酸較為豐富,飽和脂肪酸以棕櫚酸(C16:0)為主,這與Yu等[20]、Shumo等[21]研究一致。硬脂酸(C18∶0)含量較低,不飽和脂肪酸油酸含量占絕對優(yōu)勢。黑水虻幼蟲中的脂肪酸組成與魚粉一致,含量均高于魚粉中的含量,油酸、亞油酸的含量遠遠高于魚粉中的含量,分別是魚粉中含量的2.1～2.3倍、1.6～8.6倍。

表3 黑水虻幼蟲脂肪酸組成及含量Table 3 Fatty acid composition and content of black sodier fly larve %

2.3 蟲沙的營養(yǎng)價值分析

對祿豐、武定、石屏、曲靖4個示范點的蟲沙進行營養(yǎng)含量的測定,結(jié)果見表4。結(jié)果顯示 ,4個示范點蟲沙中有機質(zhì)、總養(yǎng)分、pH值蛔蟲死亡率、大腸桿菌數(shù)均符合國標中有機肥的標準,有機質(zhì)含量特別豐富為73.87%～78.88%,約為國標的1.5倍?？傪B(yǎng)分含量為8.20%～9.90%,高于國家標準。重金屬含量方面,除祿豐示范點中蟲沙的總砷超標外,總鉛、總鎘、總鉻均符合國標中有機肥標準[14],總汞均未檢出。

表4 黑水虻蟲沙的營養(yǎng)含量Table 4 Nutrient level of black sodier fly larve converting pig manure's residue

3 討 論

本試驗在4個不同的示范點探究利用黑水虻處理豬糞的處理效率、蟲體、蟲沙營養(yǎng)價值,不同于國內(nèi)外在實驗室中開展黑水虻處理養(yǎng)殖廢棄物的工藝參數(shù)及效率的研究,更加客觀、系統(tǒng)地分析總結(jié)黑水虻幼蟲處理畜禽養(yǎng)殖糞便在實際推廣應(yīng)用中的成效。本研究中的4個示范點位于云南省3個不同的州市,具有明顯的地域特點,代表了不同的環(huán)境區(qū)位,這樣分析總結(jié)出的黑水虻處理成效更具廣泛性,代表性更強,更有利于黑水虻處理豬糞技術(shù)大范圍地在養(yǎng)殖企業(yè)推廣應(yīng)用。

已有研究表明,黑水虻幼蟲可以減少約50%的畜禽糞便,降低糞便中氮磷含量、提高蟲沙有機質(zhì)含量及大腸桿菌的數(shù)量[22-23]。周芬[24]采用黑水虻三個品系進行了豬糞的處理研究,結(jié)果表明,三個品系的黑水虻對豬糞干物質(zhì)減少率分別為53.4%、28.8%、49.7%。Fujita[25]研究表明,經(jīng)黑水虻轉(zhuǎn)化豬糞后剩余物質(zhì)的有機質(zhì)的含量能達到71.88%,全氮減少率可以達到58%,全磷減少率為30%。本研究表明,4個示范點黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞后,全氮減少率為59.92%～71.13%,全磷減少率為42.83%～61.73%,在糞便減重、全氮全磷減少率方面均優(yōu)于已有的研究結(jié)果,可見利用黑水虻處理豬糞的應(yīng)用成效較為顯著,能很好的轉(zhuǎn)化糞便中的營養(yǎng)物質(zhì),減少糞便的堆積,降低糞便臭味,改善養(yǎng)殖環(huán)境。

采食豬糞的黑水虻幼蟲,其營養(yǎng)價值含量較為豐富,其粗蛋白含量約40.2%～44.83%,粗脂肪含量為33.7%[26-27],氨基酸組成較為均衡,與魚粉的氨基酸組成非常接近,且必需氨基酸含量較高,還富含不飽和脂肪酸和必需脂肪酸。本研究表明,黑水虻幼蟲的粗蛋白含量38.08%～41.04%,粗脂肪含量為28.27%～33.75%,谷氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、組氨酸含量豐富,不飽和脂肪酸含量占絕對優(yōu)勢,為46.65%～53.81%,與現(xiàn)有研究結(jié)果一致。黑水虻幼蟲的衛(wèi)生指標分析顯示,黑水虻幼蟲細菌、大腸桿菌、重金屬以及抗生素類藥物均符合國家標準?？傊?豬糞喂養(yǎng)的黑水虻幼蟲含有的粗蛋白、粗脂肪、氨基酸、脂肪酸,可以與魚粉、豆粕相媲美,生物安全性高,可作為蛋白飼料添加使用。

黑水虻轉(zhuǎn)化豬糞時產(chǎn)生的副產(chǎn)物,包括培養(yǎng)基殘渣和幼蟲的分泌物、排泄物,成為蟲沙。研究發(fā)現(xiàn),蟲沙富含氮、磷、鉀等各種農(nóng)作物需要的營養(yǎng)物質(zhì),可作為肥料還田利用。蟲沙含水率較低,較為干燥,無明顯異味,可長期儲存。本研究對4個示范點的蟲沙進行了檢測分析,結(jié)果表明,蟲沙中的有機質(zhì)含量較高,總養(yǎng)分、pH、衛(wèi)生指標均符合國家有機肥標準,除祿豐示范點的砷超標外,其他3個示范點均符合國家標準 ,這主要是由于飼料源頭中含有過量的砷,處理后蟲沙才出現(xiàn)砷超標的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

綜上所述,本研究中4個示范點利用黑水虻幼蟲處理豬糞的處理成效顯著。黑水虻能夠充分消解豬糞中的有機廢棄物,同時轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì),較好地解決了豬場糞污所產(chǎn)生的系列環(huán)境問題,其黑水虻幼蟲可作為動物性蛋白,蟲沙作為肥料還田利用,促進豬場糞污的無害化處理及資源化利用,增加經(jīng)濟效益。在4個示范點,黑水虻都具有較好的環(huán)境適應(yīng)性,飼養(yǎng)管理容易,能夠?qū)崿F(xiàn)畜禽糞污的持續(xù)發(fā)展,黑水虻幼蟲處理豬糞技術(shù)可大范圍地在養(yǎng)殖企業(yè)推廣應(yīng)用。