论生物转化法牛粪资源化利用的途径

鲍 桐，孙铁珩，孙丽娜，张 恒

（1.沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110044；2.贵州大学 昆虫研究所，贵州 贵阳 550025）

近年来，随着人民生活水平的提高，我国畜牧业发展飞速，牛的养殖逐渐向规模化、专业化方向发展，尤其对于以养牛为支柱产业的地方，大量的牛粪便堆积造成环境污染问题也越来越严重.目前牛粪在养殖牧场大部分乱堆乱放，牛粪中多种细菌病原体滋生，严重危害当地水源和人畜的健康，对牛粪的合理有效处理势在必行.

21世纪生物质能已成为世界第四大能源，利用生物转化的方法，其优势在于在解决能源紧缺问题的同时，有效地减少了环境污染，是当前解决城市垃圾等环境污染问题的发展趋势.牛粪本身是一种很好的生物质资源，将牛粪作为生物资源实现良性循环，对发展生态农业打造新兴环保产业，实现新农村建设起到积极作用.

1 牛粪的养分分析

动物粪便作为肥料、饲料等已普遍被人们所利用，而其在作物营养方面的价值取决于动物的类型、年龄，身体状况和所进食物.这表明，正确使用动物粪肥，回收营养物质，可以显著促进作物生长，提高产量［1］.牛粪与其他动物的粪便比较见表1，特点为含水分较多，质地较其他动物粪便细密，但分解较慢，发热量小，属冷性肥料.牛粪中含有有机质、粗蛋白质、粗脂肪、粗纤维、木质素、粗灰分、脂肪、有机酸、酶和无机盐等物质，与猪粪和鸡粪相比较，牛粪的粗纤维、粗灰分较高，而粗蛋白质和粗脂肪含量相对较低，牛粪具有产量高，总量大的特点［2］.牛粪应需大量干燥，研究高碳修订方法堆肥保存利用，是牛粪资源化发展的重要方向［3］.

表1 农场动物粪便的水分和主要养分含量Table 1 Moisture and nutrient content of farm animal feces

2 牛粪中的寄生生物

牛粪中含有多种寄生动物群落，除土壤中蚯蚓之外，多以大型节肢动物以及微生物等为主.姜世成等［4］研究松嫩草地牛粪堆积对草地的影响并分析了松嫩草地牛粪中大型节肢动物种类组成及动态变化，结果显示：草地牛粪中共调查到大型节肢动物7目20科43种，其中鞘翅目种类共计12科32种；膜翅目1科4种；双翅目和革翅目均为2科2种.根据对营养物质的利用情况，将其划分为粪食性型、腐食性型、植食性型、捕食性型、杂食性型、尸食性型和寄生性型［5］.其中以粪食性型为主，为19种.主要包括外生粪甲虫（paracoprids）、内生粪甲虫（endocoprids）、远生粪甲虫（telecoprids）和偷窃寄生粪甲虫（kleptoparasites）四种类型［6］.

腐食性型共有4科4种，分别为犀金龟科中的阔胸禾犀金龟，步甲科中的单齿蝼步甲等.植食性型共有4科6种，分别为犀金龟科中的阔胸禾犀金龟、丽金龟科中的黄褐异丽金龟等.捕食性型有5科11种，分别为隐翅甲科中的迅脚小隐翅虫、闫甲科中的谢氏闫甲和双斑闫甲等.杂食性型有2科5种，包括是蝼蛄科中的单刺蝼蛄、蚁科中的玉米毛蚁等.尸食性型为皮金龟科中的祖氏粪金龟一种，寄生性型真螨目等.姜世成等得到结论，鲜牛粪中大型节肢动物优势种为直蜉金龟（69.25%）和肖秋家蝇与东方角蝇幼虫（25.12%）［7］.

薛瑞德等［8］通过调查太原地区牛粪中的节肢动物幼虫与成虫，发现该地区牛粪中寄生2种花蝇，7种家蝇，4种丽蝇，4种麻蝇，1种厕蝇，1种无瓣蝇类，2种姬蜂，4种隐翅虫，2种金龟，2种水虻，3种金小蜂，1种小蜂，一种蠼螋和一种巨螯螨，其中节肢动物对蝇类具有一定的控制作用.李景科研究认为［9］，分解牛粪的生物有很多，其中作用较大的是甲虫类，它们能很快将牛粪埋入地下，其中最多的是马粪金龟，北方牛粪是以金龟子或隐翅虫为主力分解者.阿仁高娃等［10］对内蒙古典型草原上未腐解、半腐解和腐熟牛粪中的微生物数量、微生物生物量和酶活性特征进行了研究，结果表明：不同分解状态牛粪中微生物总数的大小次序为腐熟牛粪＞ 未腐解牛粪＞ 半腐解牛粪；腐熟牛粪中的细菌数量最高，半腐解牛粪中的真菌数量最高，未腐解牛粪中的放线菌数量最高.

3 可用于牛粪生物转化的生物

3.1 蚯 蚓

蚯蚓是对环节动物门寡毛纲类动物的通称.雌雄同体，昼伏夜出，以畜禽粪便和有机废物垃圾为食，连同泥土一同吞入，也摄食植物的茎叶等碎片.蚯蚓可使土壤疏松、对农作物秸秆、生活垃圾、工业废弃物分解处理具有一定的帮助.蚯蚓在其新陈代谢过程中能吞食大量有机物质并将其与土壤混合，通过砂囊的研磨作用和肠道内的生物化学作用进行分解转化［11］.蚯蚓具有极强的消化能力，其消化道能够分泌出蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶等，有机物质在这些酶作用下可水解为碳水化合物、脂肪等低分子化合物，再与土壤中的矿物质结合成高度融合的有机-无机复合体以蚯蚓粪形式排出［12］.蚯蚓是生物处理器，1亿条蚯蚓一天就可以吞食40吨左右垃圾，如果处理一户普通家庭的垃圾，只要饲养2 000条蚯蚓就足够了.

蚯蚓对人类的益处很多，从蚯蚓中可提取的蚓激酶，是一种重要的生物药物，具有强烈的溶解纤维蛋白及血栓的作用［13］；蚯蚓的身体中含有大量的蛋白质和脂肪，营养价值很高，是优良的蛋白质饲料，并且可制成食品蚯蚓的保健药品；蚓粪可作为高价的生物型有机肥，并且可以作为鱼饲料投入渔产养殖，并且，蚯蚓粪便直径只有1～2mm，表面积大，吸附力强，且含有各类微生物群，故它又是一种很好的除臭剂，可有效消除粪便的臭味［14］.蚯蚓的养殖品种主要有威廉环毛蚓、湖北环毛蚓、参环毛蚓、白颈环毛蚓以及爱胜属蚯蚓等［15］.目前我国人工养殖的蚯蚓品种主要是从日本引进的大平2号，特点是繁殖率高，耐热抗寒，年增殖200倍以上，适于一年四季生产，蚓体、蚓粪产量高.一般养殖场最好引进改良过的蚯蚓品种做种养殖［16］.

蚯蚓一般喜欢阴暗潮湿，氧气充足的环境，雌雄同体，异体受精，3～6个月性成熟，3个月繁殖一次［17］.蚯蚓以牛粪、食用菌渣等为高产养殖饲料，一般采用坑养、室外堆肥养殖、温室塑料大棚养殖、田间养殖及工厂养殖等几种养殖方式，养殖中应注意饵料厚度和养殖密度，采用种蚓和生产蚓分开养殖，效果更佳［18］.

用蚯蚓处理牛粪，既符合了环保，又实现了“变废为宝”.王晓凤等［19］研究用鲜牛粪作为饵料，通过添加不同的乙酸添加量、湿度、温度、接种密度和EM菌，得到结论为赤子爱胜蚓最适宜的条件为：每90g（干重）饵料接种8条蚯蚓，加1mL 10%的乙酸溶液，最适温度在20～25℃，含水率控制在65%～70%；并接种EM菌可促进蚯蚓的生长繁殖.利用牛粪养殖蚯蚓，较科学的配方为牛粪50%，纸浆污泥50%，或牛粪100%，也可牛粪、猪粪、鸡粪各20%，稻草屑40%［20］.罗海力［21］自行设计蚯蚓堆肥池，研究蚯蚓处理不同腐熟度的牛粪，结果表明：在新鲜牛粪200g与腐熟牛粪300g的组合中，蚯蚓生长、繁殖状况最佳，因此，可将腐熟牛粪的3／5回流，与200g新鲜牛粪混合后进行循环处理.刘婷等［22］研究了蚯蚓的堆制作用对有机物料的化学及生物学特性的影响，结果显示，蚯蚓堆制处理牛粪等废弃物优于自然堆制处理，可以明显改善有机物料的化学、生物学性质.李辉信等［23］在最适的湿度和接种密度条件下，室内接种赤子爱胜蚓处理未腐熟牛粪，进一步研究了蚯蚓堆制处理对牛粪性状的影响，结果显示：赤子爱胜蚓处理显著增加了未腐熟牛粪中矿质氮和速效磷的含量，提高了碱性磷酸酶的活性，降低了脲酶的活性，对蔗糖酶活性无显著影响.赵海涛等［24］利用蚯蚓生物床工程处理牛粪，采用室内分析法研究了处理前后牛粪性质的变化，结果显示，牛粪经蚯蚓生物床处理后的通水性和透气性得到明显改善：易干燥，无臭气，含水率和电导率明显下降，pH值趋于中性.1kg蚯蚓只要48h就能把1kg易腐有机粪便转化成富有养分的蚯蚓粪，这说明蚯蚓能够有效地处理牛粪，实现生物转化作用［25］.目前蚯蚓养殖的难点在于温度的控制以及牛粪的前期处理，若攻破该技术难关，蚯蚓养殖必将得到大范围的推广.

3.2 粪金龟子

粪食性的粪金龟科Geotrupidae、蜉金龟科Aphodiinae（Scarabaeidae）和蜣螂亚科Scarabaeinae（Scarabaeidae）隶属于鞘翅目Coleoptera多食亚目Polyphaga，金龟总科Scarabaeoidea［26］.粪食性金龟一般取食哺乳动物粪便并制作粪球，对粪便中所含物质的快速降解能起到关键性作用，对哺乳动物粪便具有很强的分解能力，素有“清道夫”的美称.

粪金龟一年一代，成虫一般4月下旬开始出土活动，10月下旬逐渐停止，成虫一般夜晚出来活动，打洞将人畜粪便拖入洞中，然后再慢慢吃掉.雌虫把卵产在腐叶土中，约10天后幼虫破卵而出，以腐叶土或粪便为食，第二年七月化为蛹，约20天后变为成虫.

目前鲜有对粪金龟养殖方面的报道.陈建军等［27］以虫笼及砖墙内圈养等养殖法饲养两种蜣螂虫，虽然两种蜣螂虫都能饲养成功，结果为采取水泥池等养殖法比露天养殖效果稍好，但由于该虫繁殖率低，饲养难度相对较大.据张赤兵报道［28］，南通医药股份有限公司开展了蜣螂的家养研究，取得了成功，并用原子吸收分光光度计测定了家养和野生蜣螂药材的9种微量元素含量.

粪金龟子最大的价值在于它们处理粪便的能力，对哺乳动物粪便的快速破碎化、营养物质转移起关键作用［29］.1967年首次在澳大利亚北部热带地区释放域外蜣螂，连续三年，共释放了275 000只，蜣螂处理后粪堆消失，可见蜣螂解决澳大利亚牛粪问题获得了成功［30］.据特古斯巴雅尔报道［31］，蜣螂在蒙古高原自然生态和牧业经济形态下，能够发挥的环境保护功能与生态链作用，实现“草物-牛粪-肥料-草物”的生态链循环过程.除处理粪便能力外，粪金龟子还具有较高的药用价值，早在李时珍著的《本草纲目》中记载蜣螂主治大小便不通，历来文献将其列入活血、散瘀、通肠化结、消肿解毒之品，我地民间习用蜣螂外用治疗痈疽疔疮、丹毒等症［32-34］.赵兴梅等［35］试验报道蜣螂具有显著抑制实验性前列腺增生的作用.此外，从粪金龟子体内提取的蛋白质和甲壳素类物质是较好的生物资源，其开发和应用日益受到人们所重视［36］.

3.3 水 虻

水虻是双翅目（Diptera）水虻科（Stratiomyidae）昆虫的统称，水虻科幼虫的特点为幼虫以动物粪便、腐烂的有机物等为食，能够被用于畜禽粪便的无害化处理，将粪便转化为昆虫生物量的同时，有效减少粪便的污染.

目前用于粪便转化研究的最佳品种为黑水虻和亮斑扁角水虻.黑水虻一般1年9～10世代，以老熟幼虫越冬，通常在3月初成虫开始羽化，至12月下旬都能见到成虫产卵.亮斑扁角水虻成虫体长约13～22mm，在我国很常见，主要分布在北京、河北、福建、广东等地区，习惯在腐烂潮湿的有机物周围的干燥缝隙中产卵［37］.适宜的环境下亮斑扁角水虻生活周期一般为40天左右.

据喻国辉等报道，利用畜禽粪便饲养的黑水虻幼虫干重达到42%～43%，其中粗蛋白含量占干重的42%～44%，磷占干重的0.60%～0.63%，脂肪含量占干重的11%～15%，钙质占干重的4.8%～5.1%.粪便饲养的幼虫和预蛹，含有丰富的必需氨基酸和矿物质，是家禽、家畜和鱼类养殖的良好饲料来源［38］.亮斑扁角水虻幼虫对粪便的转化率较高，55kg的新鲜粪便被降解后最后剩下24kg，减少了56%的粪便积累，而且处理同时还消除了粪便的臭味，有效减少了粪便对环境的污染［39］.利用水虻转化粪便后的残料可进行不同养分的配比提高有机肥的肥效，转化后的虫体加工后可作为高蛋白饲料或微生物肥料，具有广阔的开发前景.而目前对水虻的研究主要饲料为猪粪.牛粪能否适合养殖，还需要进行相关试验，进一步进行深入的研究.

3.4 蝇蛆等其他

利用牛粪饲养蝇蛆，也是当前解决牛粪问题的一个很好的方向.据报道，经过处理后的牛粪2.2kg可育鲜蛆1kg，蛆可作为动物蛋白饲料喂鸡，提高鸡的重量，而育蛆后的牛粪仍可作为肥料施用其肥效不减［40］.饲养蝇蛆的难点主要在养殖的品种，牛粪的前处理以及产品的回收等.

用牛粪做饲料，还可以养殖蜗牛.白玉蜗牛个体大，生长速度快，是适合养殖的品种，不仅是高级营养品，还具有药用价值，主治痔疮肿痛、喉肿、哮喘、脱水、小儿脐风等疾病.用牛粪、猪粪发酵后的发酵土可用于养殖，也有相关报道蜗牛可与蚯蚓混合养殖，蜗牛的粪便可供蚯蚓食用［41］.但目前未见关于蜗牛处理牛粪的转化率的相关报道，这可能也是未来研究的一个方向.

另外，由于食用菌具高蛋白、低脂肪，氨基酸种类齐全等特点，用牛粪培养食用菌也是牛粪资源化的一个很好的方向.据报道，牛粪可处理后用于培养双孢蘑菇、鸡腿菇，降低食用菌栽培成本，提高培养料生物转化率［42-43］.

4 其他生物转化相关的方法

加拿大很多牧场在处理牛粪时，将粪尿冲洗到贮粪池后用机械分离干湿粪，干粪作为商品肥原料，尿液用作堆肥，实现固液分离［44］.这一点也可试用于国内牧场，将牛粪固液分离后再利用生物转化法，使其充分利用.厌氧发酵牛粪产生沼气是目前研究最多且极具发展潜力的牛粪处理方式之一.沼气是一种清洁能源，产生热能高，利用牛粪产生沼气不仅能够解决燃料短缺问题，也解决了环境污染问题.目前牛粪的沼气发酵存在热量损失问题，如何有效的提高沼气发电的效率是沼气利用法解决牛粪问题的重点.

蠕虫堆肥法是利用蚯蚓养殖与堆肥相结合的方法，蚯蚓养殖之后，为了减少臭味，再用堆肥技术将牛粪变成商品肥.这种堆肥方法制造的肥料比传统堆肥方法制作的肥料更为肥沃，也更加容易被植物吸收.这是由于蠕虫胃内的酶作用，可以使垃圾通过自然循环的方式转变成为有利于土壤肥沃的有机物，并能防止牛粪臭气散发污染环境.这将是处理牛粪等生活垃圾的未来发展方向之一.

5 展 望

牛粪污染环境和牛粪资源化是目前国家关注的两个重点核心问题.利用生物转化牛粪的方式既可有效的解决牛粪环境污染问题，又能延伸产业链，变废为宝，是未来牛粪资源化利用的主要研究趋势之一.生物转化牛粪资源化方式未来研究工作主要包括以下三方面：

（1）生物转化法处理牛粪与传统的成熟的牛粪处理技术，如堆肥、沼气发酵等相结合，发挥各自技术的独特优势，进行技术的集成与创新.

（2）以牛粪为基质，开发新的生物昆虫种质资源，明确最佳的养殖条件，探索利用牛粪的最适宜的饲养方法，结合最佳的处理技术，编制生物转化处理牛粪操作规程.

（3）生物转化处理牛粪的后期产品的产业化研究，在治理牛粪污染环境的同时，打造新兴的产业链，例如开发功能性的保健食品和药物等.

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