利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便的技術(shù)要點及前景展望

◆作者：鄒仕庚 王斌,2 陳麗 龐旭 胡文鋒 陳峰,2

◆單位：1.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司研究院（技術(shù)中心），農(nóng)業(yè)部動物營養(yǎng)與飼料學(xué)重點實驗室；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院；4.廣州無兩生物科技有限公司

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民眾生活水平的不斷提高，我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。近年來，我國畜禽養(yǎng)殖模式從個人散養(yǎng)向企業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖加速轉(zhuǎn)變，且畜禽存欄和出欄量穩(wěn)步提高；由此集中產(chǎn)生了大量的畜禽糞便。據(jù)統(tǒng)計，2015 年我國畜禽糞污產(chǎn)量高達(dá)38.34 億噸，其中新鮮糞便、尿液和污水分別為6.36、5.65 和26.33 億噸。這些畜禽廢棄物含有大量的氮、磷、重金屬元素、寄生蟲和多種病菌以及糞臭味（糞臭素、硫化氫、氨氣等），不經(jīng)處理或處理不當(dāng)對生態(tài)環(huán)境中的氣體、水體和表層土壤可造成嚴(yán)重的污染問題。近年來，國家已相繼出臺相關(guān)政策推進(jìn)畜禽糞便的資源化利用，但是目前對畜禽糞污的綜合利用率尚且不足60%。因此，如何有效推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的處理和資源化利用成為當(dāng)前急需解決的問題。

除了畜禽養(yǎng)殖的環(huán)境壓力，飼料資源緊缺是當(dāng)前畜牧業(yè)面臨的另一難題。2050 年世界人口將達(dá)到90 億，為此，當(dāng)前的糧食生產(chǎn)量幾乎要翻一倍。同時據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）估計，2010-2050 年人們對動物蛋白質(zhì)（包括肉、水產(chǎn)品和奶）的需求量將每年提高1.7%，而與此對應(yīng)的配合飼料產(chǎn)量也將逐年攀升。因此，人口和畜禽存在潛在的糧食競爭，作為畜牧業(yè)大國的中國面臨著嚴(yán)峻的飼料資源緊缺問題。

表1 黑水虻不同階段的形態(tài)特征和生理習(xí)性

1 黑水虻昆蟲的介紹

黑水虻（Hermetia illucens L.），英文名稱Black Soldier Fly，屬于雙翅目扁角水虻屬，是一種全球廣泛分布的資源性昆蟲。黑水虻為全變態(tài)昆蟲，生命史經(jīng)歷卵、幼蟲、預(yù)蛹、蛹和成蟲五個階段。在27oC～30oC 人工飼養(yǎng)條件下，生命周期約為40 天。其中幼蟲階段約占生命周期的50%，為16～20 天。其幼蟲以動物糞便和尸體、腐爛的水果及蔬菜等為食，食譜廣、食量大、轉(zhuǎn)化率高、生活史重疊、抗逆性強(qiáng)，在化蛹前有遷徙等習(xí)性（表1）。因此，許多國家正在開展利用黑水虻幼蟲進(jìn)行禽畜糞便及餐廚垃圾無害化處理的探索。

2 現(xiàn)階段畜禽糞便的幾種代表性處理方法

目前畜禽糞便常用的處理方法具體可以分為干燥化、肥料化、能源化和飼料化四大類。其中干燥化主要是通過自然陽光、設(shè)備進(jìn)行干燥減量化處理。肥料化主要是采用好氧堆肥發(fā)酵（發(fā)酵床、立式發(fā)酵罐等）技術(shù)使糞便中的有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成肥力更好的腐熟肥料，增加土壤肥力，該處理方法在目前畜禽糞便處理方法中是最常用的。能源化包括普通焚燒和厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣兩種方式，焚燒法主要是通過外加輔助燃料進(jìn)行預(yù)先干燥再進(jìn)一步燃燒，燃燒后再產(chǎn)生一定的熱能；厭氧沼氣發(fā)酵主要是糞便在多種厭氧微生物共同作用下產(chǎn)生沼氣，再通過沼氣發(fā)電或燃燒獲得相應(yīng)的電能和熱能。最后一種處理方法是將畜禽糞便中含有的大量未消化粗蛋白、粗纖維、粗脂肪和礦物質(zhì)等作為蚯蚓或某些昆蟲（如黑水虻、家蠅等）的營養(yǎng)成分，通過轉(zhuǎn)化后收集蚯蚓或昆蟲蟲體蛋白質(zhì)而達(dá)到糞便減量化和資源化的目的。

然而，無論以上哪種處理方法，都只能是實現(xiàn)糞便減量化處理，最終都需要通過還田模式，通過植物、土壤微生物等進(jìn)一步利用。因此，當(dāng)前畜禽糞便最佳的處理方法是種養(yǎng)結(jié)合模式，首先采用物理、化學(xué)和生物等方法進(jìn)行減量化處理后，再通過植物吸收和土壤微生物分解、礦化等進(jìn)一步處理，是實現(xiàn)可持續(xù)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

表2 畜禽糞便的營養(yǎng)成分（%）

圖1 黑水虻處理畜禽糞便的可行性

3 黑水虻昆蟲處理畜禽糞便的可行性

基于食譜廣、食量大、轉(zhuǎn)化率高和營養(yǎng)需求低等采食特點，黑水虻幼蟲在處理有機(jī)廢棄物方面具有良好的應(yīng)用潛力。目前，飼喂商品化飼料的規(guī)?；笄菁S便中殘留豐富的營養(yǎng)成分（表2），一般水分、粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的含量為60%～75%、20%～40%和2.10%～5.13%，同時賴氨酸、胱氨酸和蘇氨酸的含量較高、微量元素也比較豐富。理論上畜禽糞便的營養(yǎng)成分含量適于黑水虻幼蟲的生長發(fā)育。在適宜條件下，黑水虻幼蟲對畜禽糞便的處理效率較高，處理時間為9～11 d。研究結(jié)果表明，當(dāng)養(yǎng)殖周期為11 d，黑水虻幼蟲對新鮮雞糞和豬糞的干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率分別為29.3%和28.8%。在溫度為28oC～30oC、糞便含水量為70%～75%時，黑水虻幼蟲對豬糞的減重率達(dá)50%～60%，經(jīng)處理后糞便呈現(xiàn)較為干燥的沙土狀，臭味強(qiáng)度顯著下降。余峰等也得出，黑水虻處理鴨糞具有明顯除臭效果，處理后的蟲沙符合生物有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)，可用作生產(chǎn)有機(jī)肥的初級原料。通過糞便的分析表明，黑水虻幼蟲處理減少了糞便中61%～70%的磷、30%～50%的氮，且降低大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和沙門氏菌等有害微生物。因此，黑水虻幼蟲可高效、安全處理畜禽糞便，降低糞便中有機(jī)質(zhì)的含量并可產(chǎn)生符合有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)的蟲沙。黑水虻處理畜禽糞便的可行性如圖1。

4 黑水虻處理畜禽糞便需解決的幾個技術(shù)要點

4.1 自動及環(huán)境可控的養(yǎng)蟲設(shè)備

以往，黑水虻處理畜禽糞便及餐余的技術(shù)研究一般采用地面小池平養(yǎng)的模式（圖2）。這種飼養(yǎng)方式的優(yōu)勢是符合黑水虻幼蟲生長的生物學(xué)特性，且投資建造的成本較低，可以滿足科研探索及養(yǎng)殖示范的需求。但是這種飼養(yǎng)方式尚且存在明顯的缺限：所需的人工較大，不利于機(jī)械化操作；在氣溫較低時，控制環(huán)境溫度的成本較高且難度很大。

圖3 立體養(yǎng)殖

經(jīng)過多年的探索及諸多行業(yè)人士的加入，生產(chǎn)實踐中從業(yè)者逐漸開始應(yīng)用設(shè)備及設(shè)施來提高養(yǎng)殖效率、降低勞動強(qiáng)度。這有效推動著黑水虻資源化利用畜禽糞便的技術(shù)從小池平養(yǎng)模式向自動環(huán)控的規(guī)?；B(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變（圖3）。隨著技術(shù)的推廣和應(yīng)用，設(shè)備設(shè)施建造的成本也在不斷降低，功能越趨完善。目前，社會對黑水虻處理有機(jī)廢棄物的技術(shù)潛力已達(dá)成共識，因此行業(yè)中涌現(xiàn)出大量的高效養(yǎng)殖設(shè)備，其中不乏一些設(shè)備已完全可以滿足當(dāng)前生產(chǎn)的需要。

4.2 幼蟲高效率地轉(zhuǎn)化糞便有機(jī)物

隨著越來越多的飼養(yǎng)實踐證實，黑水虻幼蟲可以處理禽畜糞便，轉(zhuǎn)化糞便有機(jī)物為蟲體營養(yǎng)成分，從而引起人們對使用設(shè)備設(shè)施進(jìn)行黑水虻幼蟲養(yǎng)殖的興趣。但與此同時，應(yīng)用設(shè)備設(shè)施時也希望幼蟲進(jìn)行糞便有機(jī)物的轉(zhuǎn)化效率更高，從而提高設(shè)備設(shè)施的利用效率和幼蟲的產(chǎn)出率，以提高經(jīng)濟(jì)回報及在產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的吸引力。為了提高幼蟲的生長效率，我們需要系統(tǒng)研究幼蟲生長的最佳營養(yǎng)需要，這方面溫氏集團(tuán)研究院已著手進(jìn)行了相關(guān)研究并取得一定進(jìn)展。我們相信，隨著研究和生產(chǎn)的深入，黑水虻幼蟲處理畜禽糞便不但可行且有較高的經(jīng)濟(jì)價值。這將為我國解決糞便對環(huán)境污染的壓力及提供部分飼用蛋白質(zhì)資源都有重大的社會和經(jīng)濟(jì)意義。

4.3 幼蟲原料在飼料行業(yè)中的應(yīng)用

黑水虻幼蟲含有豐富的營養(yǎng)成分，其粗蛋白質(zhì)和粗脂肪的干物質(zhì)含量分別為30%～42%和15%～40%，氨基酸平衡且鈣含量高。經(jīng)過脫脂處理，黑水虻幼蟲的蛋白質(zhì)含量可高達(dá)50%～65%，其蛋白質(zhì)和氨基酸的營養(yǎng)價值與魚粉相當(dāng)并高于豆粕。同時黑水虻幼蟲中月桂酸的含量約為12%，占總脂肪酸含量的40%，易被動物腸道吸收利用并具有抗氧化、抗應(yīng)激和提高機(jī)體免疫的作用。因此，黑水虻幼蟲及其加工產(chǎn)品是畜禽和水產(chǎn)飼料的潛在蛋白質(zhì)和脂肪來源。在成本上，2019 年昆蟲蛋白質(zhì)售價9000～10000 元/噸，秘魯魚粉國內(nèi)各港口報價為10300～12800元/噸，豆粕價格2700～3000 元/噸。由此來看，短期內(nèi)黑水虻幼蟲僅具有替代魚粉的優(yōu)勢，可應(yīng)用于水產(chǎn)飼料中。

國內(nèi)外對黑水虻幼蟲及其加工產(chǎn)品在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。研究顯示，黑水虻幼蟲可替代水產(chǎn)飼料中0～50%的魚粉，對動物的生產(chǎn)性能無負(fù)面影響；但替代量達(dá)到25%～50%，可能對動物生產(chǎn)性能具有不利影響，并顯著影響魚肉的肉品質(zhì)和感官特性?？紤]到實際應(yīng)用，以生長性能為指標(biāo)時，黑水虻幼蟲在水產(chǎn)飼料中的建議替代量為魚粉的0～50%；以魚肉品質(zhì)、腸道和肝臟結(jié)構(gòu)以及血液生物為指標(biāo)時，黑水虻幼蟲的建議替代量為魚粉的0～25%。

4.4 幼蟲在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用方式及應(yīng)用品種

以往黑水虻幼蟲在收獲后，一般都采取烘干的方式保存、運輸和使用，但由于幼蟲蟲體的含水量約為75%～80%，水分烘干需要大量的能耗。盡管行業(yè)里嘗試過各種烘干方法，但烘干的成本依然高居不下。這也造成了黑水虻幼蟲作為飼料的應(yīng)用成本較高。經(jīng)過摸索，幼蟲收獲后，直接勻漿桶裝保存，可能是一個較好的選擇。這也便于水產(chǎn)飼料廠采取液體噴涂的方式將蟲漿添加到飼料中。該保存和使用方法將極大地降低黑水虻幼蟲作為飼料的應(yīng)用成本。但是蟲漿的保鮮是技術(shù)的核心，這方面也取得了關(guān)鍵進(jìn)展?；谌諠u成熟的黑水虻技術(shù)產(chǎn)業(yè)，我們倡導(dǎo)水產(chǎn)飼料行業(yè)改變觀念，積極推廣使用液體原料及添加技術(shù)，降低成本和促進(jìn)行業(yè)健康快速發(fā)展。

目前，大量的研究提示黑水幼蟲在畜禽水產(chǎn)飼料中均有較好的應(yīng)用效果，實踐表明，幼蟲在蝦（如南美白對蝦、小龍蝦）和螃蟹等甲殼類動物上應(yīng)用的效果最佳，可明顯減少這類動物在脫殼期間的死亡率，并提高生長速度。另外，蟲漿在甲殼類動物的幼苗期使用也有很好的效果。

5 結(jié)語

盡管當(dāng)前畜牧業(yè)的高速集約化發(fā)展造成了我國糞便處理困難的問題，但隨著科技工作者的不斷努力，逐漸探索出一種安全有效的解決辦法。其中之一是用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便，這不但在畜禽糞便的資源化利用中具有可行性，也可為蝦蟹等甲殼類動物生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的功能性原料。隨著規(guī)模化處理模式和蟲漿保存等關(guān)鍵技術(shù)的攻克，利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便的技術(shù)也將在行業(yè)中得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：（略）