玉米秸秆的预处理及以其产品饲养黑水虻的研究

覃万朗，周俊锋，王为国，王存文

武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉430205

我国作为农业大国，主要的粮食作物有小麦、水稻和玉米等，因而每年有大约8×108t的秸秆产生［1］，其农业固体废弃物中玉米秸秆较为常见，大约占农作物秸秆总量的33.4%［2］。其中大部分的玉米秸秆被堆积在田间地头，或者被直接焚烧，焚烧秸秆不仅会污染环境，还会危害人体健康。随着经济社会发展，畜禽产品的需求和产量逐年提升，同时也产生了大量的禽畜粪便［3］。现阶段，每年我国禽畜粪便产量约为60亿吨，而利用率却不足50%［4］。

如果能合理开发利用有机废弃物不仅能解决目前存在的环境问题还能变废为宝带来可观的经济效益。好氧发酵是处理废弃有机质的常用手段［5-6］。好氧发酵是指在有氧条件下，好氧微生物代谢物料中的有机质使自身得以繁殖，进而产生新的微生物群落［7］。好氧发酵的优点有物料处理量大、堆肥周期相对较短，形成的有机肥品质高等［8］。由于好氧发酵过程中会产生大量热量，堆体温度可达45～55℃，能够杀灭大部分寄生虫卵、致病菌和杂草种子等，因此得到的有机肥可在田间直接施用，还能改善土壤，更易于农作物生长，增加农作物产量［9-10］。好氧发酵是一种无害化、减量化和循环利用有机废弃物的重要方法［11］。

微生物进行正常生长代谢活动的一个重要条件是碳/氮质量比，微生物自身细胞合成需要碳源，同时碳源也是微生物生长活动的能源；微生物的营养物质则由氮源提供，能供微生物合成自身细胞中蛋白质、核酸和酶等。过高或过低的碳/氮质量比都会影响发酵的过程。当碳/氮质量比较高时，物料中的氮源相对就少，微生物因为缺少营养物质导致其生长繁殖受到限制，发酵速率也随之下降［12-13］。当碳/氮质量比较低时，物料中碳源较少，微生物由于缺乏能量其生长发育受到影响，同时物料中过多的氮源会转变为氮气挥发掉，损失氮素营养的同时又环境了污染［14-15］。通常情况下，发酵初始碳/氮质量比为20～30时，微生物生长发育情况较优［16-17］。故本文发酵选择碳/氮质量比为20、25和30。

黑水虻（hermetia illucens），英文名black soldier fly，学名光亮扁角水虻或亮斑扁角水虻，是双翅目水虻科扁角水虻属的一种腐食性昆虫［18-19］。有研究表明黑水虻可用于处理城市、农村等有机废弃物并转化为自身营养成分，如蛋白，油脂等［20-21］。有人用黑水虻和微生物共同处理秸秆和餐厨垃圾，并将收获的黑水虻幼虫用于提炼生物柴油［22］；Gao等［23］选用米曲霉发酵玉米秸秆，并探究了黑水虻对发酵玉米秸秆的转化性能。故选黑水虻处理发酵后的玉米秸秆，进一步提高固体有机废弃物的转化率。Sheppard等［24］发现黑水虻预蛹的氨基酸含量与鲱鱼粉的氨基酸含量相近，且均高于普通豆粕和骨粉。黑水虻预蛹含粗蛋白约42%～44%，粗脂肪28%～35%，灰份14.6%，钙5%和磷1.51%［25-26］（均为质量分数）。喻国辉等［27］研究发现，黑水虻幼虫干物质占总质量的42%～43%，其干物质中粗蛋白占42%～44%，粗脂肪占35%，灰份占11%～15%，钙占4.8%～5.1%，磷占0.60%～0.63%。

本文以玉米秸秆和鸡粪为研究对象，对固体有机废弃物玉米秸秆和鸡粪进行了发酵，利用微生物进行了有效的转化，系统研究了在发酵过程中各种主要营养物质的变化规律，对于评价发酵效果和发酵产品的品质有重要意义，为发酵产品的安全农用提供保障。初步实现了垃圾处理的“资源化”“无害化”和“减量化”，同时也满足了环境保护和可持续发展的双重需要。发酵固体废弃物玉米秸秆和鸡粪提高了其营养价值，用于饲喂黑水虻，发酵产物替代了一部分餐厨垃圾，缓解了黑水虻食物来源的问题。同时发酵产物能被黑水虻有效的利用，转化为自身的蛋白和油脂等营养物质。本文作为深入开发利用农业废弃物玉米秸秆及黑水虻处理农业废弃物玉米秸秆技术应用推广的基础研究，是前期的准备工作，为深入研究黑水虻虫体及其应用研究提供参考，在经济、社会和生态方面产生很好的效益。

1 试验部分

1.1 试验材料

玉米秸秆：收集自湖北省钟祥市，经粉碎后长度约为5～10 mm。新鲜鸡粪：收集自武汉市周边某鸡场。菌剂：来自启明生物工程有限公司，其主要成分为麸皮、地衣芽孢杆菌、米根霉、黑曲霉、乳酸片球菌、酸性蛋白酶、中性蛋白酶及淀粉酶。餐厨垃圾：取自武汉工程大学第一和第二食堂。黑水虻虫卵：取自湖北省荆门市钟祥市百士泰生物科技有限公司。原料主要营养成分见表1。

表1 发酵材料主要营养成分Tab.1 Main nutrients of fermented materials

1.2 试验方案

发酵方案：将玉米秸秆和新鲜鸡粪作为发酵原料，控制初始发酵碳/氮质量比分别为20、25和30配比混和玉米秸秆和新鲜鸡粪，控制含水质量在65%左右。开始混合发酵，试验重复2次。发酵反应容器选择120 L的硬质塑料桶。各发酵桶内物料初始的重量均为20 kg（干重）。在发酵过程中每24 h进行一次翻堆搅拌，以保证通气。每3 d取1次样。在发酵处理过程中，堆体从发酵期的高温逐渐回落，40 d时堆体温度与外界接近，表明发酵过程结束。

饲养方案：将碳/氮质量比为20、25和30的发酵产物与餐厨垃圾按质量比1∶1混合后作为饲料喂养黑水虻，主要营养成分见表2。3个盒子分别投虫卵5 g，每天每个盒子加料2 kg，物料水分质量分数为70%，饲养过程无补水。重复3次。

表2 饲喂黑水虻的物料营养成分表Tab.2 Nutrient compositionsof materialsfed to black soldier fly

1.3 主要检测指标及方法

含水率的测定采用105℃烘干法（NY/T 52−1987）；pH值用pH计进行测定（NY/T 1121.2−2006）；粗蛋白采用凯氏定氮法测定；粗脂肪采用索氏提取法；粗纤维用粗纤维测定仪进行测定。有机质的测定参考HJ 761−2015；还原糖含量采用DNS法测定。

2 结果与讨论

2.1 发酵过程对混合基质指标的影响

在发酵过程中，初期颜色暗黄，带有鸡粪的臭味，难闻的刺鼻气味；中期颜色与玉米秸秆原料样品无明显差异；后期颜色加深，呈黑黄色，略带甜香味，物料之间出现白色的菌丝。

从微生物活性的变化可以推断出堆肥过程状态的变化，而微生物活性的变化可以从堆体温度的变化反映出来，堆肥工艺过程的一个重要因素便是堆体温度，它的变化会影响微生物的活动。这种变化与堆肥中可氧化、可分解有机质的含量呈正相关。堆肥顺利进行的必要因素是温度，堆肥的腐熟程度可以由堆体温度的变化直接反映出来。环境温度除了最开始的3 d低于20℃以外，其它时间均保持在20℃以上。温度上升的快慢反映了发酵的剧烈程度。从图1（a）中可以看出不同堆体的温度变化趋势大致一致。整体温度从第3 d开始上升，上升到40℃左右后有一定程度的回落，原因可能是其它菌群在温度上升后的适宜条件互相争夺氧气导致的。从第8 d开始整体温度持续性的升高，之后维持在40～50℃的区间。持续了30 d左右。随着发酵时间的延长堆体中有机质逐渐被降解，微生物的活动逐渐减弱，堆肥温度也缓缓下降，说明发酵已经进入腐熟阶段。当下降到近环境温度，说明发酵基本结束，堆肥已达稳定。

随着发酵的进行，含水率逐渐降低，主要有两个原因：一是微生物活动产生热量导致水分蒸发；二是通风使水分随风散失；发酵后期水分含量有所上升可能是由部分有机物质发生水解和微生物呼吸产生的水。

因为微生物只有在适宜的pH值下才能进行正常的新陈代谢，所以堆肥体系的pH值需要维持在一定的范围。pH值的变化通常作为堆肥产品是否达标的参考指标，而堆肥腐熟情况的差异并不能由pH值的变化反映出来。由于有机物降解过程中物质的转化和氮元素的转变导致了pH值的变化，所以在某种程度上pH值能够反映堆肥内微生物的活动状态。由于本试验的目的是考察在自然条件下物料的不同配比混合堆肥的效果，因此并未将初始pH值调成一致，但混合堆料的初始pH值均在合适范围内，即6.0～7.0之间。

由图1（b）可知，总体上随着发酵时间的延长，发酵过程中不同碳/氮质量比的混合物料的堆体pH的变化趋势相同，均为先升高后降低。pH变化的原因是因发酵初期有机物大量降解产生的氨溶于堆体的水分中，故pH上升。后期pH值的下降主要是由于微生物分解脂肪和碳水化合物等有机物形成了有机酸累积［28］，比如乳酸、丁酸、丙酸等。从pH变化的趋势看，可以分为2个阶段：第1阶段为上升期，初始碳/氮质量比为20的堆体上升期在0～20 d，其pH由6.4上升到8.6；初始碳/氮比为25的堆体上升期在0～24 d，其pH由6.3上升到8.2；初始碳/氮质量比为30的堆体上升期在0～27 d，其pH由6.3上升到8.2。从中也可以看出碳/氮质量比越低，pH上升越快，这可能是由于碳/氮质量比为30的混合物料中碳/氮质量比相对来说偏高，堆体中碳元素相比氮元素含量更多，减弱了微生物对物料的氨化作用，从而pH变化相对较慢。第2阶段为下降期，初始碳/氮质量比为20的堆体下降期在20～40 d，其pH由8.6下降到6.4；初始碳/氮质量比为25的堆体下降期在24～40 d，其pH由8.2下降到7.1；初始碳/氮比为30的堆体下降期在27～40 d，其pH由8.2下降到6.9。

含水量在发酵过程中是一个重要的物理指标，发酵的效果跟含水量有关，在微生物分解有机物和其自身生长繁殖的过程中水分都是不可或缺的。水在堆肥过程中的主要作用是溶解有机物并参与微生物的代谢。发酵过程中产生的热量会导致部分水分蒸发，同时带走一部分热量，从而间接调控堆肥温度。好氧堆肥反应的速度、发酵的质量很重要的一个影响因素便是堆肥原料中水分的多少，好氧堆肥过程的成功与否也在于含水量。因此，堆肥中的水分的把控是十分重要的。从图1（c）可以看出，堆体水分的变化是一个持续波动的状态，其在60%～75%之间波动，在这个区间微生物活动情况较好。

图1 发酵过程中混合基质指标的变化：（a）温度，（b）pH，（c）含水率Fig.1 Index changes of mixed substrate during fermentation：（a）temperature，（b）pH，（c）moisture content

2.2 发酵过程对混合基质化学组成的影响

微生物生存和繁殖的基本条件是有机质。在某种程度上发酵的过程可以通过发酵过程中有机物的变化反映出来。堆肥的腐熟度可以用有机质的降解率来判断。发酵能否顺利进行的一个重要指标便是有机质含量的变化。在发酵的过程中，为微生物的生长和代谢提供碳源和氮源的是有机物中易被降解的大分子物质（如纤维素、半纤维素和蛋白质等），在堆肥过程中有机质也因此被矿化。在有机质被降解的过程中，绝大部分的碳被转化为二氧化碳，剩下的一小部分碳用于微生物自身细胞组分的合成。同时在有机质降解的过程中伴随着热量和水的产生。

从图2（a）可以看出，整个堆体有机质的含量呈现下降的趋势。初始碳/氮质量比为20的堆体有机质含量从76.35%降低到66.99%，降解率为12.26%；初始碳/氮质量比为25的堆体有机质含量从77.5%降低到66.72%，降解率为13.91%；初始碳/氮质量比为30的堆体有机质含量从78.69%降低到69.93%，降解率为11.13%；碳/氮质量比为25的有机质降解率稍大，说明适中的碳/氮比利于微生物的代谢。

从图2（b）中可知整个堆体在发酵的过程中粗蛋白的含量呈现逐步上升的趋势，在最后3天粗蛋白含量出现了小幅度的回落。这是因为随着微生物对基质中营养物质的消耗，其生长能力下降，生物量不再增加，呼吸和代谢作用减慢，发酵已经基本完全，温度逐渐降低，微生物活性减弱，从而不再能够对培养基进行有效的转化，进而消耗了小部分的粗蛋白。粗蛋白含量变化的结果说明，在酸性蛋白酶、中性蛋白酶及淀粉酶以及微生物的作用下，发酵能让微生物有效地转化物料中的有机质为菌体蛋白，提高饲用价值，进而促进固体有机废弃物玉米秸秆、餐厨垃圾和鸡粪的高效利用。

初始碳/氮质量比为20的堆体粗蛋白含量从8.31%上升到16.2%，增长了94.95%；初始碳/氮质量比为25的堆体粗蛋白含量从6.1%上升到14.02%，增长了129.84%；初始碳/氮质量比为30的堆体粗蛋白含量从5.49%上升到12.12%，增长了120.77%；碳/氮质量比为25的堆体粗蛋白含量增长最多，说明适中的碳/氮质量比利于微生物转化营养物质为自身的菌体蛋白。

粗纤维的降解程度决定了秸秆最后的降解效果。粗纤维由秸秆中的纤维素，半纤维素和木质素构成，是秸秆中最难降解的部分。粗纤维的降解是由于微生物产生了相应的酶。地衣芽孢杆菌能产生降解纤维素、半纤维素和木质素的酶，能使纤维素和半纤维素被降解生成单糖［29-30］。米根霉可利用富含木糖的木质纤维素预水解物生产真菌壳聚糖［31］，米根霉能在麦麸固态发酵中生产碱性蛋白酶［32］。黑曲霉固态发酵秸秆能生产纤维素酶［33-34］。乳酸片球菌可利用木糖、产酸能力强、具有较强肠道定植能力且无葡萄糖阻遏效应［35］。复合菌剂能明显提高玉米秸秆的降解率［36-37］。

从图2（c）可以看出整个堆体发酵过程中粗纤维的含量呈现降低的趋势，部分点的粗纤维含量相比之前有所上升，可能是因为取样误差造成。初始碳/氮比为20的堆体粗纤维含量从28.35%降低到20.16%，降解率为28.89%；初始碳氮比为25的堆体粗纤维含量从28.79%降低到21.41%，降解率为25.63%；初始碳/氮比为30的堆体粗纤维含量从32.79%降低到21.3%，降解率为35.04%；碳/氮比为30的粗纤维降解率稍大，说明较高的碳/氮比利于微生物降解粗纤维。

图2 发酵过程中混合基质化学组成的变化：（a）有机质，（b）粗蛋白，（c）粗纤维，（d）还原糖Fig.2 Changes in the chemical composition of mixed substrates during fermentation：（a）organic matter，（b）crude protein，（c）crude fiber，（d）reducing sugars

从图2（d）可以看出，在发酵开始后的0～11 d，堆体中还原糖的含量持续下降，随后在整个发酵过程中，还原糖含量在一个较低的水平波动。发酵初始阶段还原糖迅速降低是微生物利用物料中原本的还原糖进行繁殖和代谢，后面发酵过程中还原糖含量在一定水平内波动是微生物继续利用还原糖繁殖和代谢和纤维素水解之后所产生的还原糖造成一定范围的波动；最后还原糖含量有所上升是因为温度降低，发酵基本停止，微生物活动减弱，物料中的酶继续分解纤维素产生了少部分还原糖。

2.3 不同混合发酵基质饲养黑水虻的生长指标

由图3（a）可知，前两天由于幼虫个体较小，体重变化不明显，各处理组虫重基本一致。随着日龄的增加，碳/氮质量比为30和碳/氮质量比为25的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1喂养的黑水虻幼虫平均增重幅度相差不大，最终碳/氮质量比为30的饲料幼虫平均增重最大，为193.3 mg（50条虫的平均虫重）。

由图3（b）可知，前两天由于幼虫个体较小，体长变化不明显，各处理组平均虫长基本一致。随着日龄的增加，各处理组在0～8 d幼虫长度变化趋势相差不大，在8 d后碳/氮质量比为20的饲料喂养的黑水虻幼虫的长度明显小于碳/氮质量比为25和碳/氮质量比为30的饲料的喂养的黑水虻幼虫的长度（50条虫的平均虫长）。从幼虫体重和体长来看，碳/氮质量比为30的发酵产物混合餐厨垃圾1∶1的饲料更利于幼虫的生长发育。

图3 不同混合发酵基质饲养黑水虻生长指标的变化：（a）幼虫体重，（b）幼虫体长Fig.3 Changes in growth indexes of black soldier fly fed with different mixed fermentation substrates：（a）larva body weight，（b）larva body length

2.4 不同混合发酵基质饲养黑水虻营养物质的含量

从图4（a）可以看出，碳/氮质量比为20的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗蛋白含量为35.88%；碳/氮质量比为25的发酵产物和餐厨垃圾1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗蛋白含量为36.67%；碳/氮质量比为30的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗蛋白含量为38.70%。说明碳/氮质量比为30的发酵产物混合餐厨垃圾作为饲料喂养黑水虻利于其幼虫富集蛋白质。

从图4（b）可以看出，碳/氮质量比为20的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗脂肪含量为23.36%；碳/氮质量比为25的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗脂肪含量为24.30%；碳/氮质量比为30的发酵产物和餐厨垃圾质量比1∶1混合喂养的黑水虻幼虫粗脂肪含量为30.27%。说明碳/氮质量比为30的发酵产物混合餐厨垃圾作为饲料喂养黑水虻利于其幼虫富集脂肪。

图4 不同混合发酵基质饲养黑水虻营养物质的含量：（a）粗蛋白，（b）粗脂肪Fig.4 Nutrient content of black soldier fly fed with different mixed fermentation substrates：（a）crude protein，（b）crude fat

3 结 论

本文主要对玉米秸秆、新鲜鸡粪在碳/氮质量比为20、25和30条件下的发酵情况以及将其复配餐厨垃圾饲养黑水虻进行了研究，主要结论如下：

1）所有堆体整个发酵过程的温度基本保持在40～50℃之间，属于中温发酵。随着发酵的进行，3种混合堆料的pH值前期逐渐升高，后期下降，最终稳定在6.5～7.0。含水量均在60%～75%之间。3种混合堆料有机质降解率分别为12.26%、13.91%和11.13%；粗蛋白增长率分别为94.95%、129.84%和120.77%；粗纤维降解率分别为28.89%、25.63%和35.04%。

2）3种发酵产物以质量比1∶1混合餐厨垃圾喂养黑水虻幼虫的平均虫重分别为161.67、186.67和193.33 mg；平均虫长分别为17.00、18.67和18.67 mm。3种发酵产物质量比1∶1混合餐厨垃圾喂养黑水虻幼虫的粗蛋白含量分别为35.88%、36.67%和38.70%；粗脂肪含量分别为23.36%、24.30%和30.27%。

3）综合考虑来看，发酵过程中发酵最好的堆体是初始碳/氮质量比为30，其粗蛋白增长率为120.77%，增长率和碳/氮质量比为25的相差不大，但是其粗纤维的降解率为35.04%，远远大于其它两组。发酵产物质量比1∶1混合餐厨垃圾喂养黑水虻效果最好的饲料是初始碳/氮质量比为30的发酵产物质量比1∶1混合餐厨垃圾。其幼虫体重和体长均为3组饲料中最高，幼虫粗蛋白含量和粗脂肪含量也都达到最高。说明物料中粗纤维的降解率有助于改善黑水虻的适口性，发酵后的玉米秸秆粗纤维含量减低，粗蛋白含量增加，利于黑水虻吸收物料中的营养物质。本文研究表明发酵玉米秸秆是一种较为环保的固体废弃物的处理方式，用黑水虻处理发酵后的玉米秸秆并转化为自身的营养物质，得到的黑水虻具有应用开发研究价值。