黑水虻幼虫处理猪粪的应用成效研究

胡清泉,沙 茜,鲍晓伟,杨仁灿,常雅洁,陈吉红,张 斌,赵智勇

(云南省畜牧兽医科学院 畜禽养殖环境控制研究所,云南 昆明 650224)

黑水虻(HermetiaillucensL.) 是一种营腐生性质昆虫,取食范围广,生物量大,世代周期短,因可将废弃生物质快速分解、消化、转化为动物蛋白饲料资源、天然抗菌肽资源、生物燃料资源而受到畜牧业的关注。利用黑水虻幼虫处理畜禽养殖粪便是一种处理效率及资源化利用极高的新技术模式。目前国内外对黑水虻的研究主要集中在养殖参数无害化处理和资源开发利用方面。无害化处理方面主要集中在利用黑水虻幼虫处理猪粪、鸡粪、鸭粪、牛粪及餐厨垃圾[1-7]等有机废弃物的研究,结果表明黑水虻幼虫能以动物粪便、餐厨垃圾、腐烂有机物为食,迅速将有机废物转化为自身生物量,生产高附加值的昆虫产品,当天就能完成有机废弃物的转化,生长速度及转化效率极高。据报道,黑水虻幼虫的粗蛋白含量为36.9%～44%,粗脂肪含量为15%～49%,其体内含有丰富的多不饱和脂肪酸,不饱和程度与鱼油相似,是一种潜在的饲料和食物来源[8]。资源开发利用方面主要集中在对黑水虻虫体蛋白的开发利用及生产生物柴油方面的研究。张金金等[9]研究表明,添加黑水虻幼虫粉可提高蛋鸡产蛋后期的生产性能,改善血清生化指标。Dumas等[10]研究发现,饲料中添加黑水虻油和脱脂黑水虻虫粉,可提高虹鳟的生长性能和饲料利用率。DE MARCO等[11]指出,黑水虻幼虫粉是肉仔鸡可消化氨基酸与能量的优良来源,具有较高的氨基酸表观回肠消化系数和表观代谢能,可作为家禽饲粮的一部分。Li等[2]利用黑水虻幼虫提取的生物柴油,其各种理化特征与植物油来源的生物柴油相比较更具优势。

近年来,我国对黑水虻幼虫转化有机废弃物的研究较多,利用黑水虻幼虫处理餐厨剩余物在实际工程应用及推广上也取得了一定成果,在陕西渭南县、江苏盐城市、浙江嘉庆市、广东平远县等地都有企业从事黑水虻处置餐厨垃圾的生产案例[12],但对于黑水虻幼虫转化猪粪的研究主要是在实验室开展,其实际在养殖场应用的具体生产案例较少,针对利用黑水虻幼虫处理猪粪的规模化示范点的实际处理成效研究方面几乎没有相关报道。本研究主要就禄丰、武定县、石屏、曲靖4个利用黑水虻处理猪粪的示范推广点的应用情况及成效进行分析总结,通过黑水虻幼虫处理猪粪,检测其对猪粪的转化效率影响,比较处理前、处理后猪粪的理化特征参数差异,黑水虻幼虫虫体、虫沙营养价值及安全性评价,研究分析黑水虻幼虫处理畜禽养殖粪便在推广应用中的成效,为该技术进一步推广应用提供参考,促进畜禽养殖废弃物治理及资源化利用进程,有力推动畜牧业产业的绿色发展。

1 材料与方法

1.1 材料及幼虫的培育

黑水虻幼虫(HermetiaillucensL．)由云南省畜牧兽医科学院提供,在禄丰、武定县、石屏、曲靖4个示范点作为种虫饲养。产卵后,将收集到的虫卵称量分组,每组50 g,置于培养箱中进行孵化,温度为32±1 ℃,湿度控制在60%～90%。幼虫用饲料(玉米∶豆粕∶米糠=1∶2∶3)饲养,生长至5日龄投入转化池(长×宽×高=2 m×1.5 m×25 cm),处理新鲜猪粪。鲜粪为各示范点内生猪粪便,用搅拌机混匀,调节水分为70%左右备用。

1.2 试验方法与管理

试验于2018年4月10日至4月24日分别在4个示范点同步进行。将孵化后的5日龄幼虫投放至转化池处理猪粪,每个示范点10个处理池,自然环境条件下试验期为15 d。

每个处理池猪粪投喂量为:试验第1天投喂猪粪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(试验结束)每天投喂50～60 kg,每天分上午、下午两次投喂。

投喂前需对物料进行翻抛,处理8 d后,及时清除多余的虫沙,物料高度保持在10～15 cm左右。试验结束后,进行虫粪分离。

1.3 样品采集与处理

1.3.1 投喂前鲜粪的采集 于试验第8天至试验结束,每天投喂前,采集搅拌均匀的新鲜粪便500 g。

1.3.2 虫沙样品的采集 于试验第8天至试验结束,每天投喂前,每个处理池采集虫沙1 000 g后混匀缩减至500 g。

1.3.3 黑水虻幼虫的采集 试验结束后,每个处理池采集黑水虻幼虫200 g。

1.3.4 样品的处理 鲜粪/虫沙:按每100 g新鲜粪便/虫沙加入20 mL 4.5 mol/L H2SO4进行预处理,置于-20 ℃保存待测。

幼虫:参照黄超[13]对黑水虻幼虫蛋白质体外消化特性与抗氧化活性研究中黑水虻幼虫微波干燥方法,采用美的微波炉于500 w下微波处理15 min,粉碎后过40 目筛于4 ℃下保存待测。

1.4 测定指标及方法

粪便测定指标:含水率、有机质、全磷、全氮;

虫沙测定指标:含水率、有机质、全磷、全氮、蛔虫卵、重金属(铬、镉、铅、砷、汞);

虫体营养价值测定:水分、粗灰分、粗蛋白、氨基酸组成及含量、脂肪酸组成及含量;

方法:粪便、虫沙中含水率、有机质、全磷、全氮等指标参照有机肥料(NY/T 525-2012)[14]方法测定;虫沙有机肥检测指标送云南省化工产品质量监督检验站检测;虫体营养价值参照(GB/T 6435-1986)[15]、粗灰分参照(GB/T 6438-1992)[16]、粗蛋白参照(GB/T6432-2018)[17]方法测定,氨基酸参照(GB/T 18246-2000)[18]方法测定,脂肪酸参照( GB/T17377-2008)[19]方法测定。

1.5 统计分析

试验数据采用SPSS 17.0软件进行统计分析,通过t检验来推断不同示范点的总体均数是否有差别。结果用平均值±标准差来表示,P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 黑水虻幼虫转化猪粪的处理效果

2.1.1 黑水虻幼虫对猪粪含水率、有机质的处理效果 猪粪处理前颜色较深为黑褐色,且粘度较大,经黑水虻处理后粪便颜色变为浅褐色,表面疏松、平整。处理后,粪便臭味明显减少, 到转化后期几乎无明显臭味,有效抑制家蝇滋生。由图1可以看出,从5日龄幼虫处理新鲜猪粪至预蛹期前,每天均可实现新鲜粪便的转化处理,处理效率极高。受环境条件、饲料来源等因素影响,不同示范点新鲜猪粪中的理化指标有所差异,含水率为69.45%～73.50%,有机质含量为68.46%～72.92%。经黑水虻转化后含水率明显下降为43.75%～53.28%。禄丰示范点的虫沙含水率为46.51%,下降了35.38%;武定示范点虫沙含水率为44.75%,下降了35.57%,下降率最高;石屏示范点的虫沙含水率为47.89%,下降了32.76%;曲靖示范点的虫沙含水率为50.28%,下降了31.59%,下降率最低。禄丰、武定示范点猪粪含水率下降率差异不显著(P>0.05),石屏、曲靖示范点猪粪含水率下降率差异不显著(P>0.05),但禄丰、武定与石屏、曲靖示范点间的含水率下降率差异显著(P<0.05)。猪粪转化后有机质含量有了明显变化,禄丰、武定、石屏、曲靖示范点有机质变化量分别为20.05 kg、53.92 kg、39.70 kg、14.55 kg,转化效率分别为11.54%、27.36%、21.72%、9.44%,以武定的转化效率较高,曲靖的转化效率最低,各示范点间有机质转化效率差异显著(P<0.05)。

图1 猪粪和虫沙中含水率及有机质含量Fig.1 The content of moisture and organic matter in pig manure and insect derived compost

2.1.2 黑水虻幼虫对猪粪全氮、全磷的处理效果 猪对饲料利用率最高只能达到60%～70%,剩余30%～40%的未被利用营养物质存留于猪粪中,黑水虻可将未被利用的营养成分转化为虫体蛋白。由图2可知,黑水虻转化前猪粪中全氮含量为3.12%～3.64%,转化后含量为1.35%～1.58%,禄丰、武定、石屏、曲靖示范点全氮转化变化量分别为4.78 kg、7.04 kg、6.03 kg、4.21 kg,全氮转化率以石屏示范点的最高为71.13%,曲靖示范点的转化率最低为59.92%,各示范点间全氮转化效率差异显著(P<0.05)。转化前猪粪中全磷含量为2.14%～2.64%,转化后含量为1.36%～1.74%。全磷转化率以武定示范点的最高为61.73%,以曲靖示范点的最低为42.83%,各示范点间全磷转化效率差异显著(P<0.05)。

图2 黑水虻幼虫转化猪粪全氮、全磷效果Fig.2 The conversion efficiency of total nitrogen and total phosphorus

2.1.3 黑水虻幼虫对猪粪的转化效果 在黑水虻幼虫转化猪粪过程中4个示范点的50 g黑水虻卵孵化后的幼虫共计转化新鲜猪粪分别为867.50 kg、890.00 kg、870.87 kg、850.00 kg,转化后获得虫沙分别为370.51 kg、330.43 kg、348.06 kg、380.24 kg,获得新鲜黑水虻幼虫分别为122.42 kg、128.56 kg、129.45 kg、111.73kg(图3)。数据分析表明,4个示范点间猪粪减重率差异显著(P<0.05),最高可达62.87%,最低为55.27%。鲜虫获得率(猪粪重:鲜虫重)最高为6.73∶1,最低为7.61∶1,即转化6.73～7.61 kg猪粪,可获得1 kg鲜虫。

图3 黑水虻幼虫对猪粪的转化效果Fig.3 Transformation effect of pig manure by black soldier fly larva

2.2 黑水虻幼虫的营养价值分析

2.2.1 黑水虻幼虫的常规营养含量分析 由表1可见,转化猪粪后黑水虻幼虫干物质含量为94.87%～95.21%,各示范点间干物质含量差异不显著(P>0.05)。转化猪粪后黑水虻幼虫粗蛋白含量为38.08%～41.04%,以禄丰示范点的黑水虻幼虫粗蛋白含量最高,武定示范点的黑水虻幼虫粗蛋白含量最低,相差2.96%。粗脂肪含量为28.27%～33.75%,以武定示范点的黑水虻幼虫粗脂肪含量最高,石屏示范点的黑水虻幼虫粗脂肪含量最低。粗灰分含量为9.30%～12.55%。4个示范点间粗蛋白、粗脂肪含量差异显著(P<0.05),禄丰、曲靖示范点的粗灰分含量差异不显著(P>0.05),但与武定、石屏示范点间差异显著(P<0.05)。从常规营养成分含量来看,黑水虻粗蛋白含量和豆粕相当,粗脂肪含量远高于鱼粉和豆粕,说明黑水虻幼虫可以作为蛋白饲料替代豆粕、鱼粉,是一种应用价值较高的蛋白饲料。

表1 黑水虻幼虫粗蛋白、脂肪含量(干物质基础)Table 1 The content of CP, EE in black sodier fly larve(DM basis) %

2.2.2 黑水虻幼虫的氨基酸含量分析 由表2可知,黑水虻幼虫的氨基酸组成较为均衡,与鱼粉、豆粕的氨基酸组成十分接近,必需氨基酸含量与豆粕几乎一致,组氨酸、蛋氨酸、苏氨酸等含量优于豆粕。 4个示范点各氨基酸种类组成较为一致,氨基酸中谷氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、组氨酸、精氨酸、缬氨酸含量较为丰富,分别为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个在示范点间亮氨酸含量差异不显著(P>0.05),其他氨基酸含量在示范点间差异显著(P<0.05)。蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、含量与鱼粉接近,组氨酸、酪氨酸含量分别比鱼粉高0.54～1.11个百分点、0.29～0.79个百分点。禄丰、武定、石屏、曲靖示范点黑水虻幼虫的必需氨基酸总量变化幅度不大,分别为19.63%、19.21%、19.52%、19.45%,高于豆粕中必需氨基酸总量。

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

2.2.3 黑水虻幼虫的脂肪酸含量分析 由表3可知,4个示范点黑水虻幼虫的脂肪酸含量差异显著,其不饱和脂肪酸分别占总脂肪酸的46.65%、49.72%、53.56%、53.81%,尤其以油酸、棕榈油酸含量最高,分别为28.57%和16.10%。从脂肪酸组成来看,黑水虻幼虫的脂肪酸较为丰富,饱和脂肪酸以棕榈酸(C16:0)为主,这与Yu等[20]、Shumo等[21]研究一致。硬脂酸(C18∶0)含量较低,不饱和脂肪酸油酸含量占绝对优势。黑水虻幼虫中的脂肪酸组成与鱼粉一致,含量均高于鱼粉中的含量,油酸、亚油酸的含量远远高于鱼粉中的含量,分别是鱼粉中含量的2.1～2.3倍、1.6～8.6倍。

表3 黑水虻幼虫脂肪酸组成及含量Table 3 Fatty acid composition and content of black sodier fly larve %

2.3 虫沙的营养价值分析

对禄丰、武定、石屏、曲靖4个示范点的虫沙进行营养含量的测定,结果见表4。结果显示 ,4个示范点虫沙中有机质、总养分、pH值蛔虫死亡率、大肠杆菌数均符合国标中有机肥的标准,有机质含量特别丰富为73.87%～78.88%,约为国标的1.5倍。总养分含量为8.20%～9.90%,高于国家标准。重金属含量方面,除禄丰示范点中虫沙的总砷超标外,总铅、总镉、总铬均符合国标中有机肥标准[14],总汞均未检出。

表4 黑水虻虫沙的营养含量Table 4 Nutrient level of black sodier fly larve converting pig manure's residue

3 讨 论

本试验在4个不同的示范点探究利用黑水虻处理猪粪的处理效率、虫体、虫沙营养价值,不同于国内外在实验室中开展黑水虻处理养殖废弃物的工艺参数及效率的研究,更加客观、系统地分析总结黑水虻幼虫处理畜禽养殖粪便在实际推广应用中的成效。本研究中的4个示范点位于云南省3个不同的州市,具有明显的地域特点,代表了不同的环境区位,这样分析总结出的黑水虻处理成效更具广泛性,代表性更强,更有利于黑水虻处理猪粪技术大范围地在养殖企业推广应用。

已有研究表明,黑水虻幼虫可以减少约50%的畜禽粪便,降低粪便中氮磷含量、提高虫沙有机质含量及大肠杆菌的数量[22-23]。周芬[24]采用黑水虻三个品系进行了猪粪的处理研究,结果表明,三个品系的黑水虻对猪粪干物质减少率分别为53.4%、28.8%、49.7%。Fujita[25]研究表明,经黑水虻转化猪粪后剩余物质的有机质的含量能达到71.88%,全氮减少率可以达到58%,全磷减少率为30%。本研究表明,4个示范点黑水虻幼虫转化猪粪后,全氮减少率为59.92%～71.13%,全磷减少率为42.83%～61.73%,在粪便减重、全氮全磷减少率方面均优于已有的研究结果,可见利用黑水虻处理猪粪的应用成效较为显著,能很好的转化粪便中的营养物质,减少粪便的堆积,降低粪便臭味,改善养殖环境。

采食猪粪的黑水虻幼虫,其营养价值含量较为丰富,其粗蛋白含量约40.2%～44.83%,粗脂肪含量为33.7%[26-27],氨基酸组成较为均衡,与鱼粉的氨基酸组成非常接近,且必需氨基酸含量较高,还富含不饱和脂肪酸和必需脂肪酸。本研究表明,黑水虻幼虫的粗蛋白含量38.08%～41.04%,粗脂肪含量为28.27%～33.75%,谷氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、组氨酸含量丰富,不饱和脂肪酸含量占绝对优势,为46.65%～53.81%,与现有研究结果一致。黑水虻幼虫的卫生指标分析显示,黑水虻幼虫细菌、大肠杆菌、重金属以及抗生素类药物均符合国家标准。总之,猪粪喂养的黑水虻幼虫含有的粗蛋白、粗脂肪、氨基酸、脂肪酸,可以与鱼粉、豆粕相媲美,生物安全性高,可作为蛋白饲料添加使用。

黑水虻转化猪粪时产生的副产物,包括培养基残渣和幼虫的分泌物、排泄物,成为虫沙。研究发现,虫沙富含氮、磷、钾等各种农作物需要的营养物质,可作为肥料还田利用。虫沙含水率较低,较为干燥,无明显异味,可长期储存。本研究对4个示范点的虫沙进行了检测分析,结果表明,虫沙中的有机质含量较高,总养分、pH、卫生指标均符合国家有机肥标准,除禄丰示范点的砷超标外,其他3个示范点均符合国家标准 ,这主要是由于饲料源头中含有过量的砷,处理后虫沙才出现砷超标的现象。

4 结 论

综上所述,本研究中4个示范点利用黑水虻幼虫处理猪粪的处理成效显著。黑水虻能够充分消解猪粪中的有机废弃物,同时转化为自身的营养物质,较好地解决了猪场粪污所产生的系列环境问题,其黑水虻幼虫可作为动物性蛋白,虫沙作为肥料还田利用,促进猪场粪污的无害化处理及资源化利用,增加经济效益。在4个示范点,黑水虻都具有较好的环境适应性,饲养管理容易,能够实现畜禽粪污的持续发展,黑水虻幼虫处理猪粪技术可大范围地在养殖企业推广应用。