畜禽粪污资源化利用中生物转化技术研究进展

邱美珍，谢菊兰，张 星，刘启红，陈伟茹，朱静波，黄红波

（1.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙410131；2.长沙县隆广生态农业科技有限公司，湖南长沙410100；3.浏阳市双丰农业科技发展有限公司，湖南浏阳410300）

畜牧业产值占农业产值的比重持续增长，由1978 年的15.0%提高到2016 年的28.3%[1]。但畜禽粪污带来的环境问题也日益突出，未经处理的畜禽粪污直接排放会导致空气质量变差、水体富营养化和病原微生物增加，进一步影响畜牧业可持续发展。同时畜禽粪便也是一种宝贵的资源，科学处理、有效利用、变废为宝已经成为人们的共识，不仅可达到污染治理、提高经济效益的目的，更能促进生态良性循环。在全国畜牧总站推荐的9 种畜禽养殖废弃物资源化利用技术模式中，都涉及到生物转化技术过程。生物转化又称“代谢转化”，即外来化合物在生物体内经酶催化或非酶作用下所发生的化学变化过程。本文重点介绍畜禽粪污资源化利用过程中生物转化技术，旨在为畜禽粪污的有效利用提供参考。

1 在畜禽粪污资源化利用中微生物转化技术

1.1 堆肥

微生物转化是通过微生物细胞将复杂的底物进行结构修饰，也就是利用微生物代谢过程中产生的某个或某一系列的酶对底物特定部位（基因）进行的催化反应。

堆肥本质是某些微生物将一种物质（底物）转化成为另一种物质（产物），是微生物转化过程，这一过程由某些微生物产生的一种或几种特殊的胞外或胞内酶作为生物催化剂进行的一种或几种化学反应。堆肥过程中微生物数量巨大、菌系组成变化非常复杂，王亚飞和康健[2-3]等在堆肥中研究显示可培养菌数量分别为：放线菌（106）、细菌（1011）、真菌（104），菌落演替非常迅速，可培养微生物数量在整个堆肥过程中呈现“高→低→高”的变化趋势。细菌的数量在其中占据主导地位，比真菌和放线菌数量高出105～107个数量级，是整个堆肥过程中的优势菌种。这充分说明微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源转化成自身的物质，转化过程伴随着可利用底物的减少菌落发生更替。

王亚飞的研究还表明，不同畜禽粪便在堆肥过程中可培养细菌数量的变化存在明显差异，鸡粪堆肥的可培养细菌数量最多，猪粪最少。堆肥前真菌数量是牛粪堆肥最多，羊粪最少。堆肥中放线菌数量除猪粪堆肥减少外，牛粪、鸡粪、羊粪三个堆肥处理都增加，以羊粪堆肥增长幅度最大，这一现象说明不同的底物类型直接影响堆肥中微生物的数量和种类。

堆肥运行温度将直接影响微生物转化进程，因为温度是影响微生物群落结构、活性、新陈代谢和生长速度的主要因素，从酶活性的角度也能证实了这一点。曹云[4]等研究了牛粪、猪粪、鸡粪3 种堆肥中微生物酶活性的变化，3 种堆肥中脱氢酶活性均先上升后下降；蛋白酶活性随堆肥温度的升高而上升；纤维素酶活性呈波动上升趋势，但鸡粪堆肥中纤维素酶活性则呈先上升后下降趋势。在堆肥过程中过氧化氢酶活性的高低与放线菌的数量呈正相关。说明随着微生物数量的增加，酶活性升高，堆肥腐熟也越快。简言之，堆肥即为一种利用微生物酶或微生物本身的转化技术。

1.2 沼气发酵

沼气发酵是有机质在厌氧条件下被各类微生物分解转化，最终产生甲烷的过程。学者们通过高通量测序分析沼气工程系统中微生物多养性，显示有4 类微生物参与：初级发酵菌（水解菌）、次级发酵菌（互营菌）、产乙酸菌、产甲烷菌[5-7]。和堆肥一样，底物类型和运行温度是影响沼气发酵微生物群落结构的主要因素。芮俊鹏等[7]研究显示，在同样的温度条件下，铵态氮与磷酸盐的比例直接影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性。随着铵态氮磷酸盐比例的提高，产甲烷丝状菌逐渐被产甲烷古细菌代替，底物浓度影响微生物群落组成，群落组成与底物浓度共同影响微生物转化效率。在产甲烷菌中，Pearson 相关性分析结果显示仅甲烷杆菌（Methanospirillum）的比例与容积产气率呈显著正相关。所以产甲烷菌的群落组成是影响沼气工程系统产甲烷效率的另一个重要生物因素。

由此可见，底物的不同将影响微生物生长类型。赵光[8]等在牛粪和水稻秸秆糖浆废水沼气发酵系统中证实了这一结论，以单一底物牛粪8%TS 稳定运行时，末端液相发酵产物以乙酸为主，占挥发酸总量的78.7%，并显著抑制丙酸浓度积累。生物膜表面优势细菌种群为不动杆菌属（Acinetobacter sp.）、假单胞菌属（Pseudomonas sp.）和黄杆菌属（Flavobacterium sp.），而利用水稻秸秆和糖浆废水混合底物8%TS 的CSTR 产酸系统运行至30 d 时，pH 迅速降为6.42，乙酸浓度为3210 mg/L，占挥发酸总量72.2%。产酸相优势细菌主要来源于厚壁菌门（Firmicutes），其次是拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria），占CSTR 产酸系统中微生物总数的90%以上。

学者们分析发酵系统底物的不同，直接影响发酵系统中酶结构，而酶结构的差异导致了微生物菌群的不同。秦磊[9]在研究微藻、酵母单培养和混合培养利用牛场沼液时表明，混合培养可以强化微生物转化，增加生物量产率，原因是混合培养能从培养环境中固定更多的C、N，且获得更高的油脂、蛋白及高位热值产量，这与生物转化的两种酶密切相关，在NH3-N 充足时，混合培养体系中普通小球藻（C.vulgaris）的氮同化关键基因硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶II（GSⅡ）的转录水平均低于微藻单培养体系，微藻单培养中NH3-N 的耗尽，使得微藻启动NO3-同化进程，伴随着NR 转录水平的急剧升高。

除底物浓度外，有数据显示温度对厌氧发酵系统中产甲烷微生物菌群结构影响较大，产甲烷相在30 ℃、25 ℃和22 ℃稳定运行时，优势细菌类群属为Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidetes；20 ℃时过渡为以Proteobacteria为绝对优势种群的群落组成，占微生物群落总数的71.36%。低温运行时甲烷八叠球菌属（Methanosarcina sp.）和甲烷杆菌属（Methanobacterium sp.） 始终存在，Methanosarcina sp.属最优势产甲烷菌[8-10]。

2 在畜禽粪污资源化利用中虫体转化技术

2.1 蝇蛆生物转化

蝇蛆生物转化技术利用蝇幼虫的生长代谢过程，在适当条件下将有机质转化为虫体生物量并显著改善有机物生化性状[11]。该技术集好氧、生物氧化固定、非嗜热过程于一体[11-13]，利用虫体嚼碎、混合基质底物并促进微生物活性，最终实现有机废弃物的降解与稳定．

蝇蛆生物转化最重要的是氮的转化，在有机质矿化及水分减量化过程中，虫体内脏中的蛋白酶催化含氮化合物的解聚反应，将其分解为溶解性有机氮[14]，再通过虫体及微生物进一步降解，使所利用的干物质总氮含量上升。而含氮量的多少取决于原基质氮含量及降解转化程度。几乎在同一时期，又有学者以温室大棚辅助蝇蛆生物反应器，将动物粪便转化为腐熟度高、稳定性好且养分充足的有机堆肥，并获得数量可观且高附加值的蝇蛆蛋白［15］。

2.2 黑水虻蛆生物转化

黑水虻蛆生物转化技术通过黑水虻幼虫将大量的有机废弃物迅速地转化为自身的营养物质，并显著改善有机物生化性状从而实现生态环境、人体健康与经济增长各方面和谐可持续发展[16-18]。黑水虻蛆的转化粪污因具有无害化、减量化、高值化、成虫不扰民等特点，倍受研究团队和小型养殖场的关注，黄芩[17]用10 日龄的虻蛆转化猪粪，粪便总重减少了36.72%，含水量从67%减少为63%；猪粪总氮减少了31.58%，并生产出含高蛋白（45%）和脂肪（36%）的蛹,而且水虻对猪粪进行转化的同时还能起到去臭的效果。这为建立猪粪虻蛆转化体系提供了实验数据。陈海洪[18]等研究表明黑水虻幼虫在处理猪粪时，也得到了相似的结果，用新鲜猪粪饲养的黑水虻幼虫生长速度呈先快后慢的生长趋势，粗蛋白含量可达为35.7%～39%，粗脂肪含量为14.7%～21.2%，黑水虻的幼虫和预蛹可作为豆粕和鱼粉等蛋白质饲料的替代品；用黑水虻处理新鲜猪粪，产生的虫沙水分含量为55.1%～56.3%，总养分 (氮+磷+钾)含量达5.3%～5.53%，是高档的有机肥料。

2.3 蚯蚓生物转化

蚯蚓可将废弃物中的有机物变成腐殖质而用于堆肥。蚯蚓消化道分泌的蛋白质酶、脂肪酶、纤维素酶、甲壳酶、淀粉酶等，对绝大多数有机废弃物具有很强的吞噬能力，经蚯蚓处理过的城市有机垃圾，质量减量最高可达69.8%，生物降解率高为75.0% ，处理后蚯蚓粪，速效氮、速效磷和速效钾含量指标均在较高水平，是高效的有机肥[19]。生产的蚯蚓可用作药材、饵料、饲料资源用[20]。

在蚯蚓生物转化技术中，细菌和真菌群落的变化在蚯蚓堆肥中起主要作用，影响有机质降解过程。利用PCR-DGGE 技术分析有机质底物(橄榄废渣与羊粪8∶1 混合) 及其堆肥产物的细菌16S rRNA 基因序列，分别得到20、30 条清晰条带，且堆肥产物的基因条带亮度明显高于对照，表明蚯蚓堆肥不仅丰富了基质细菌群落多样性，同时增加了细菌多样性并增强其活性[21]。

2.4 虫体生物转化技术比较

蝇蛆、虻蛆和蚯蚓生物转化均属虫体堆肥处置有机废弃物的生物降解技术，但就工艺模式、处理周期及效果等方面［11，12，16-19］存在较大差异，具体见表1。

表1 蝇蛆、虻蛆和蚯蚓生物转化技术比较

3 展望

畜禽粪污就像一把双刃剑，其中可能含有病原微生物、药物残留、重金属超标等，如处理不当，不仅对环境造成严重污染，而且造成资源巨大浪费；处理得当，在缓解环境压力同时还会提供新的资源和能源，实现社会的可持续发展。畜禽粪污的两重性促使人们进行资源化利用。不管哪种畜禽粪污资源化方式都涉及生物转化技术，探索畜禽粪便堆肥、虫体转化、沼气发酵过程中生化转化技术以及微生物种群演变规律及酶活性机理，可为畜禽粪便资源化利用提供数据基础和理论依据，对我国畜禽粪便资源化利用研究具有非常重要的意义。生物转化技术不断进步，机械工艺、发酵科学、能源学等学科融合发展，将加快“禽畜粪便能源化、肥料化、高值化”研究进程。为生物转化技术在畜禽粪污资源化利用中广泛应用提供发展方向，实现“绿水青山就是金山银山”的绿色发展宗旨。