武汉亮斑水虻对猪粪的除臭功能研究

李　峰，张　可，金　鑫，喻子牛，张吉斌，李明顺，郑龙玉

(华中农业大学生命科学技术学院，湖北 武汉430070)



武汉亮斑水虻对猪粪的除臭功能研究

李峰，张可，金鑫，喻子牛，张吉斌，李明顺，郑龙玉

(华中农业大学生命科学技术学院，湖北 武汉430070)

摘要：亮斑扁角水虻武汉品系(武汉亮斑水虻)幼虫在高效转化利用猪粪有机质的同时，能显著去除或减少挥发性脂肪酸的产生。在水虻幼虫处理组中，短链脂肪酸(如乙酸、丙酸等)在48 h内即可去除，长链脂肪酸(如丁酸、戊酸等)在72 h内可完全去除，己酸则需120 h去除；而对照组中，除乙酸、丙酸可在60 h左右去除外，其它长链脂肪酸在9 d后仍存在。水虻幼虫处理猪粪72 h后，粪便中4-甲基苯酚、乙基苯酚、3-甲基吲哚(粪臭素)、吲哚等的含量发生显著变化，与对照相比提前2 d完成臭味去除。表明，武汉亮斑水虻不仅能够作为高效处理猪粪的媒介，获得高附加值的昆虫生物质，同时还能达到对粪便除臭的效果，减少恶臭气体对空气质量和养殖环境的影响。

关键词：亮斑扁角水虻；猪粪；除臭；挥发性脂肪酸

随着社会经济的快速发展，全球畜牧养殖业的集约化程度极大提高，导致了有限范围内畜禽粪污的大量积累，造成周边居民生活环境、动物生产环境的恶化，影响了动物自身的生产性能及相关产品质量安全。畜禽粪污的有效治理及资源化受到越来越多的关注。同时，粪污又是江河湖泊及地下水污染的主要原因，会导致水质下降，富营养化，甚至对饮用水质量造成影响，如病原菌超标、硝酸盐或有机质含量过高等，直接危害人类健康[1]。其污染程度所占比例在某些地区已经超过了其它产业，畜牧业已成为农业源污染之首。养殖业污染物形式多样，除了粪污(固体、液体)的直接污染，还有其它污染形式，如动物粪便含有大量营养及矿物残留，容易滋生蚊蝇传播疾病，而其中的产臭微生物堆积发酵，则会产生大量的恶臭气体，包括氨气、硫化氢、吲哚类等挥发物，污染周边空气。畜禽粪污如不能得到妥善处理，将极大地威胁现代农村生态环境，阻碍生态农业的可持续发展，最终影响我国社会主义新农村建设的进程[2]。

亮斑扁角水虻(blacksoldierfly，Hermetia illucensL.)是一种营腐食性的资源环境昆虫，其幼虫期取食范围广泛，食性杂，利用亮斑扁角水虻的营腐食性生活习性特点来处理畜禽粪污，已越来越受到关注[3]。亮斑扁角水虻能高效处理畜禽粪污，具有减量化、资源化、无害化等特点，其老熟幼虫或前蛹富含蛋白质和脂肪，是良好的新型动物饲料蛋白或添加剂，对于缓解我国蛋白饲料资源短缺有重要意义。剩余的虫粪及粪便残渣通过二次发酵可以开发出功能性微生物肥料，回归到传统种植业。因此，畜禽粪污的昆虫生物转化技术一举多得，充分实现资源的循环利用，符合我国生态农业的发展需求[4]。水虻在实现废弃物向生物能源转换方面具有潜力，利用其油脂产出的生物柴油品质、性能参数等各方面指标大多数都达到了欧盟有关生物柴油的标准[5-6]。前期已有报道，水虻在降解有机污染的同时，能够有效除臭[7-8]，但未见具体的数据支撑。

亮斑扁角水虻武汉品系(武汉亮斑水虻)在生长性能及废弃物处理效率等方面较其它品系更具优势，生长周期短，个体大，转化效率高，因此具有良好的产业应用潜力[9]。作者利用武汉亮斑水虻幼虫处理猪粪，同时采用固相微萃取技术与气相色谱-质谱法(SPME-GC/MS)分析水虻对猪粪中的挥发性有机化合物(VOC，挥发性脂肪酸、乙基苯酚、吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基吲哚)产生的影响，并评价水虻对猪粪的除臭效果。

1实验

1.1材料

武汉亮斑水虻，采自华中农业大学水虻人工繁育体系。

人工饲料为肉用仔鸡前期配合饲料(武汉希望饲料有限公司)和三泰优质麸皮(安徽三泰面粉有限责任公司)按质量比7∶3混合，含水量70%(用手轻轻攥取少量饲料，水可以从指缝流出即可)。

猪粪取自华中农业大学种猪场。

1.2方法

1.2.1武汉亮斑水虻幼虫转化猪粪

1.2.1.1卵块收集及幼虫饲养

将收卵器放在诱导盒上，置于水虻成虫笼中，查看卵块收集情况，直到卵块数量达到实验所需为止。

随后将水虻虫卵放在孵化器中，室内温度控制在(27±1) ℃，相对湿度为70%～75%。3～4 d虫卵孵化后，加入200 g人工饲料饲喂幼虫至合适大小。

1.2.1.2转化过程及样品采集

选取大小相近的6日龄幼虫，弃掉多余饲料。每次随机选取100头幼虫，称重，重复3次取平均值，用于幼虫数定量。按1头·g-1的比例接种幼虫于装有1 500 g猪粪的盆中，做好标记后用纱布覆盖，室内温度控制在恒温(27±1) ℃，相对湿度为70%～75%，早晚各翻动1次，观察水虻幼虫长势。每隔12 h取样，取样前，均匀搅拌猪粪，将猪粪中的幼虫用镊子夹出，每次取样30 g，做好标记；第5 d时，部分水虻会出现预蛹现象，则每隔1 d取样，样品置于-20 ℃保存，备用。

1.2.2SPME-GC/MS分析样品挥发性组分

从冰箱中取出样品，置于冰上融化。处理前，先将100 mL顶空固相萃取瓶用超声清洗仪清洗20 min后用双蒸水润洗。取20 g猪粪样品放入萃取瓶中，加入50 mL饱和NaCl溶液，硅胶隔垫密封，70 ℃下恒温水浴磁力搅拌，700 r·min-1平衡30 min。

随后将萃取头插入顶空固相萃取瓶中，推出纤维头，使其处于萃取瓶顶空部分的中间位置，吸附30 min，计时结束后，先缩回纤维头再拔出萃取头，然后立即插入SPME-GC/MS进样口中(280 ℃)解吸5 min，进行SPME-GC/MS分析。实验重复3次。

GC条件：DB-WAX石英毛细管柱(30 m×250 μm，0.25 μm，Agilent公司)；升温程序：初始40 ℃维持3 min，以3 ℃·min-1速率升至160 ℃，维持2 min，随后8 ℃·min-1升至220 ℃，维持3 min；汽化温度为250 ℃；进样方式采用不分流；样品进样量1 μL；载气为氦气；流速1 mL·min-1。

MS条件：EI离子源，70 eV；溶剂延迟为0 min；离子源温度200 ℃；传输线温度250 ℃；进行全扫描(m/z)45～650[10]。将分析的样品质谱图与自动质谱库(NIST Mass Spectral Search Program)进行比对分析，确定猪粪中各种挥发性组分的化学组成。

1.2.3统计分析

数据全部采用SPSS 16.0统计软件进行差异显著性分析。

2结果与讨论

2.1顶空固相萃取条件的选择

2.1.1萃取头的选择

选择合适的萃取头对于分析挥发性组分十分关键。常用萃取头涂层有PDMS、PDMS/DVB、CAR/PDMS等，三者均能有效吸附挥发性有机化合物。PDMS/DVB相对于PDMS和CAR/PDMS，吸附化合物的极性范围更宽，并适用于分子量较大物质的分析。本实验选用涂层是PDMS/DVB的萃取头。

2.1.2样品用量的选择

样品用量的选择对于后续色谱分析至关重要。样品用量过多或过少都会对色谱峰造成影响，使分离度下降或出峰数量减少，导致分析结果不全面、 不准确[11]。分别选取10 g、15 g、20 g、25 g猪粪样品进行实验，以乙基苯酚、吲哚、4-甲基苯酚和3-甲基吲哚4种猪粪臭气中相对含量较大且不易去除的典型挥发性有机化合物作为指针，以其总离子流的色谱峰面积作为判断依据对样品用量进行考察，结果如图1所示。

图1　样品用量对猪粪中VOC萃取效果的影响Fig.1　Effect of sample dosage on the extraction of VOC in swine manure

由图1可知，随着样品用量的增多，4种挥发性有机化合物的色谱峰面积增大，即萃取效果越好；样品用量超过20 g后，色谱峰面积变化不大。故选择最佳样品用量为20 g。

2.1.3萃取温度的选择

萃取温度直接影响挥发性物质与涂层材料的吸附平衡：如果温度过高，吸附平衡双向速度都会加快，平衡系数降低，化合物吸附量减少；另外，温度过高，样品中成分或之间可能会发生反应或化学结构变化，影响化学分析的准确性；温度过低，则需要更长时间达到吸附平衡。考察了萃取温度对猪粪中VOC萃取效果的影响，结果如图2所示。

由图2可知，随着萃取温度的升高，4种挥发性有机化合物的色谱峰面积增大，即萃取效果越好；萃取温度高于70 ℃时，色谱峰面积变化不大。故选择最佳萃取温度为70 ℃。

图2　萃取温度对猪粪中VOC萃取效果的影响Fig.2　Effect of extraction temperature on the extraction of VOC in swine manure

2.1.4萃取时间的选择

取猪粪样品20 g，设定萃取温度为70 ℃，考察萃取时间对猪粪中VOC萃取效果的影响，结果如图3所示。

图3　萃取时间对猪粪中VOC萃取效果的影响Fig.3　Effect of extraction time on the extraction of VOC in swine manure

由图3可知，萃取时间为30 min时，4种挥发性有机化合物的色谱峰面积即可达到平衡。故选择最佳萃取时间为30 min。

综上，选择涂层为PDMS/DVB的萃取头，样品用量为20 g，在70 ℃下萃取30 min用于猪粪的挥发物臭气分析。

2.2挥发性脂肪酸(VFA)在水虻转化猪粪过程中变化情况

表1为猪粪中挥发性有机化合物的出峰时间，图4为挥发性有机化合物的总离子流图。

由表1和图4可知，虽然挥发性脂肪酸含量没有酚类、吲哚类物质含量高，但挥发性脂肪酸与猪粪中恶臭强度之间存在着良好的相关性，且脂肪酸中碳链越长越不容易去除。因此，研究武汉亮斑水虻幼虫对这几种物质的去除效果可以直接反映其对猪粪臭味的去除效果。

表1猪粪中挥发性有机化合物的出峰时间/min

Tab.1Peak appearance time of VOC in swine manure/min

峰号物质名称保留时间标样环己酮15.0741乙酸22.3362丙酸25.7243丁酸29.1434戊酸33.2675己酸35.61964甲基苯酚44.7897乙基苯酚47.6008吲哚52.23893甲基吲哚52.915

猪粪中挥发性脂肪酸含量随幼虫转化变化情况见图5。

由图5A可知，水虻转化猪粪36 h时，处理组中乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸的含量与对照组相比已有显著下降(P<0.05)，其中乙酸、丙酸这2个短链脂肪酸的含量下降最为明显。对照组中乙酸含量是处理组的12倍、丙酸含量是处理组的7倍、丁酸含量是处理组的3.8倍、戊酸含量是处理组的5.3倍、己酸含量是处理组的2.3倍。由图5B可知，48 h时，处理组猪粪中已检测不到乙酸、丙酸，与对照组相比提前12 h达到去除效果，而此时对照组中5种脂肪酸的含量仍很高，其中丁酸含量是处理组的3.6倍、戊酸含量是处理组的4.4倍、己酸含量是处理组的1.4倍。由图5E可知，120 h时，处理组中已检测不到己酸，而对照组中己酸含量与72 h(图5D，12.08 mg·g-1)相比无太大变化。取样截止时，对照组中仍可检测出丁酸(4.94 mg·g-1)、戊酸(5.87 mg·g-1)、己酸(9.18 mg·g-1)。可见，猪粪中挥发性脂肪酸碳原子数越多，越不容易去除，这一结果与曾正清等[12]用蚯蚓粪添加到猪粪除臭的结果一致。

1～9：乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、4-甲基苯酚、乙基苯酚、吲哚、3-甲基吲哚 图4　猪粪中挥发性有机化合物的总离子流图(36 h)Fig.4　Total chromatograms of VOC in swine manure(36 h)

2.3猪粪中吲哚类、苯酚类物质含量随幼虫转化的变化情况(图6)

由图6可知，武汉亮斑水虻幼虫对猪粪中吲哚类、苯酚类臭味气体有较好的去除效果(P<0.05)。在72 h前经过水虻幼虫处理的猪粪臭味气体的波动幅度不大，在猪粪发酵、水虻幼虫取食猪粪的过程中，吲哚类、苯酚类臭味气体含量都呈上升→平稳→下降的趋势，这与Kuroda等[13]的实验结果相符。在猪粪发酵初期，温度逐渐升高，产臭微生物大量生长，分解猪粪中的粗蛋白、粗脂肪、含氮有机物，因此臭味物质挥发量逐渐上升；随着时间的推移，微生物的矿化作用减弱，有机挥发性气体挥发量也随之减弱。由图6A、6B可知，72 h后，处理组中4-甲基苯酚、乙基苯酚的含量均开始明显下降，168 h时已经检测不到这两种物质，而此时对照组中4-甲基苯酚(218.06 mg·g-1)、乙基苯酚(49.7 mg·g-1)的含量依然较高，与对照组相比提前2 d达到除臭效果；3-甲基吲哚在猪粪中含量最高，最不易去除，但水虻幼虫对3-甲基吲哚的除臭效果显著(P<0.05)。由图6C可知，72 h后处理组中的3-甲基吲哚含量开始递减，且幅度较大，在水虻进入预蛹期前，已经将3-甲基吲哚含量降到最低，而对照组中3-甲基吲哚含量在终止取样时依然很高，是对照组的4倍。由图6D可知，168 h时处理组的吲哚含量基本降低到20.00 mg·g-1，而对照组中吲哚含量是实验组的7倍，取样结束时，仍可以检测到一定浓度的吲哚(24.06 mg·g-1)，处理组与对照组相比至少提前2 d完成了对吲哚的去除。

注：相同字母(a与a)表示处理组与对照组相比下降；不同字母(a与b)表示处理组与对照组相比显著下降(P<0.05)，下图同

图5猪粪中挥发性脂肪酸含量随幼虫转化变化情况

Fig.5The content of VFA in swine manure during larval conversion

A.4-甲基苯酚　B.乙基苯酚　C.3-甲基吲哚　D.吲哚 图6　猪粪中吲哚类、苯酚类物质含量随幼虫转化的变化情况Fig.6　The content of indole and phenol substances in swine manure during larval conversion

原因可能是，武汉亮斑水虻幼虫取食、翻动过程中促进了猪粪中臭味物质的挥发；也可能是水虻幼虫肠道微生物或水虻幼虫自身对猪粪中土著产臭微生物产生了影响；抑或是二者协同作用从而降低了吲哚类、苯酚类臭味气体的含量。

2.4处理前后猪粪的物理状态

武汉亮斑水虻幼虫通过取食猪粪达到除臭效果与猪粪的物理状态相关。120 h时，对照组表面干燥且长有一层白色真菌，内层黄褐色、臭味大、有结块、质地较湿；处理组猪粪为黑褐色、臭味明显减轻、质地松散、呈颗粒状，且有淡淡的草香，这一结果与薛纯良等[14]用家蝇幼虫处理猪粪物理状态相似。

3结论

研究了武汉亮斑水虻幼虫对猪粪转化过程中挥发性有机化合物的变化情况。结果表明，水虻在转化猪粪过程中，能有效去除或抑制挥发性脂肪酸的产生，其中短链脂肪酸(乙酸、丙酸)48 h时即可完全去除，而长链脂肪酸(丁酸、戊酸、己酸)5 d可全部去除，与对照组相比差异显著 (P<0.05)。武汉亮斑水虻幼虫对猪粪中吲哚类、苯酚类臭味气体也有较好的去除效果(P<0.05)，与对照组相比，至少提前2 d完成吲哚、4-甲基苯酚、3-甲基吲哚臭味的去除。对照组中3-甲基吲哚含量在终止取样时依然很高，是处理组的4倍。武汉亮斑水虻幼虫不仅可以将畜禽粪污的臭味去除，而且可以将畜禽粪污废弃营养转化为自身蛋白质、脂肪等储存在体内，其生物质可以作为优质的蛋白质饲料或添加剂，而转化后的畜禽粪便残料可作为生物肥为作物提供营养，真正实现变废为宝的目的。武汉亮斑水虻在畜禽粪污等有机废弃物污染治理及资源化利用中潜力巨大。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(31301913)，中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2662015QD006)

收稿日期：2016-03-29

作者简介：李峰(1987-)，男，山东烟台人，硕士研究生，研究方向：生物质转化技术，E-mail：561309460@qq.com；通讯作者：郑龙玉，副教授，E-mail：ly.zheng@mail.hzau.edu.cn。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.07.007

中图分类号：X 512

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)07-0028-06

Research on Swine Manure Deodorization by Larvae of Black Soldier Fly Wuhan Strain

LI Feng,ZHANG Ke,JIN Xin,YU Zi-niu,ZHANG Ji-bin,LI Ming-shun,ZHENG Long-yu

(CollegeofLifeScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)

Abstract：The emission of volatile fatty acids could be removed or reduced significantly during the digestion and conversion of swine manure by larvae of black soldier fly Wuhan strain.Short-chain fatty acids, such as acetic acid and propionic acid,could be removed within 48 h.Long-chain fatty acids,such as butyric acid and pentanoic acid,could be completely removed within 72 h.Hexanoic acid could be completely removed in 120 h.In the control group,only acetic acid and propionic acid could be removed in 60 h,but other long-chain fatty acids still could be detected after 9 d.After treated for 72 h,the contents of 4-methyl phenol,ethyl phenol,3-methyl indole(skatole) and indole were obviously changed.Compared with the control group,the odor removal was finished 2 d ahead of time.It indicated that black soldier fly Wuhan strain could not only be used as an efficient waste management agent to obtain insect biomass with high value,but also be very effective for deodorization of animal manure,reducing negative effects of offensive odor on air quality and breeding environment.

Keywords：black soldier fly;swine manure;deodorization;volatile fatty acids

李峰，张可，金鑫，等.武汉亮斑水虻对猪粪的除臭功能研究[J].化学与生物工程，2016，33(7)：28-33.