原位和異位發(fā)酵床控制生豬養(yǎng)殖廢棄物污染對(duì)比

李路瑤，王漢清，李艷苓，劉雪，耿兵*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.肥西老母雞農(nóng)牧科技有限公司，合肥 230000）

隨著人們生活水平的提高和對(duì)物質(zhì)生活需求量的不斷增加，肉制品已成為市場(chǎng)中占據(jù)相當(dāng)大比例的食品。生豬養(yǎng)殖在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中占比最大，對(duì)保障我國(guó)肉制品供給具有重要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996—2017年我國(guó)生豬養(yǎng)殖規(guī)模的增幅年均可達(dá)3.35%，使我國(guó)成為全球名副其實(shí)的生豬第一生產(chǎn)大國(guó)[1]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，到2020 年底，全國(guó)生豬存欄共有4.1億頭，比2019 年增加了約1 億頭，豬肉產(chǎn)量達(dá)到了4 113 萬(wàn)t。伴隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，養(yǎng)殖廢棄物的產(chǎn)生量逐年增加。研究表明，一個(gè)存欄1 萬(wàn)頭生豬的養(yǎng)殖場(chǎng)每年可以產(chǎn)生約1.38 萬(wàn)t 糞便，目前我國(guó)畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合利用率低于50%[2?3]，同時(shí)由于生豬養(yǎng)殖廢棄物排放或處置不當(dāng)引起的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。因此，探索生豬生態(tài)養(yǎng)殖和廢棄物安全處理方式成為目前的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)，即原位發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)可以從源頭解決畜禽糞便的污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)畜禽廢棄物趨零污染[4?6]。有研究表明，原位發(fā)酵床技術(shù)有時(shí)會(huì)因發(fā)酵床內(nèi)部溫度過(guò)高而導(dǎo)致畜禽的生長(zhǎng)受到影響，因而必須經(jīng)常采取翻耙和通風(fēng)等措施來(lái)解決這一問(wèn)題[7]。近幾年，在原位微生物發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的異位微生物發(fā)酵床技術(shù)，可以利用高溫好氧發(fā)酵在持續(xù)、動(dòng)態(tài)的條件下對(duì)養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行處理，并完成資源轉(zhuǎn)化[8]。養(yǎng)殖廢棄物異位發(fā)酵床處理技術(shù)將床體與養(yǎng)殖過(guò)程分離，可以有效地解決原位發(fā)酵床墊料高溫不利微生物生長(zhǎng)的問(wèn)題并大幅度提高了處理效率[9]。已有報(bào)道都是在不同條件下，針對(duì)不同類型養(yǎng)殖廢棄物開展原位和異位發(fā)酵床控制畜禽養(yǎng)殖污染效果的研究。王浠等[10]的研究發(fā)現(xiàn)原位發(fā)酵床每30 m2可以飼養(yǎng)20 頭生豬，并且得出原位發(fā)酵墊料休息區(qū)的持水性比糞尿區(qū)持水性高1.35倍。董立婷等[9]通過(guò)異位發(fā)酵床處理生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便和污水，每1.5 m3可以處理5頭生豬養(yǎng)殖的廢棄物，并得出每千克墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖廢水的糞污吸納系數(shù)為2.53，優(yōu)于對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水的糞污吸納系數(shù)[11]。

原位和異位發(fā)酵床是兩種不同的畜禽養(yǎng)殖污染控制技術(shù)，其應(yīng)用方式和對(duì)污染物的削減能力存在一定的差異。本研究以原位和異位發(fā)酵床為對(duì)象，分析了在相同條件下兩種模式對(duì)生豬養(yǎng)殖廢棄物的處理效果，闡明了兩種模式生豬生長(zhǎng)狀況、廢水吸納系數(shù)和微生物群落組成變化的差異，為兩種技術(shù)模式的選擇和推廣提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究在北京市順義區(qū)某生豬養(yǎng)殖舍內(nèi)進(jìn)行。異位和原位發(fā)酵床同時(shí)建設(shè)，試驗(yàn)裝置如圖1 和圖2所示。異位發(fā)酵床的規(guī)格為3 000 mm×1 000 mm×900 mm，原位發(fā)酵床規(guī)格為4 480 mm×3 000 mm×900 mm。原位發(fā)酵床與異位發(fā)酵床各養(yǎng)殖生豬3 頭，共計(jì)6頭。試驗(yàn)從2019年3月10日開始運(yùn)行，到5月23日結(jié)束，共運(yùn)行73 d。異位發(fā)酵床與養(yǎng)殖區(qū)（坡度為5°）之間由排污孔連接，殘留糞尿和沖洗污水由排污孔進(jìn)入異位發(fā)酵床。

1.2 試驗(yàn)材料

原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的制作方法一致。將玉米秸稈和楊樹葉粉碎成約2.0 cm，再將楊樹葉、玉米秸稈和椰殼粉按照質(zhì)量比為55∶35∶10 進(jìn)行混合，按照比例添加微生物菌劑并混合均勻。調(diào)節(jié)墊料的初始含水率在50%~60%之間，將墊料倒入床內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵床的制作，預(yù)發(fā)酵4 d后開始試驗(yàn)。楊樹葉、玉米秸稈和椰殼粉均由北京順莉公司提供，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的墊料用量約為320 kg。微生物菌劑為開創(chuàng)陽(yáng)光公司生產(chǎn)的微生物發(fā)酵劑零污染Ⅰ號(hào)，用量為每3 m3500 g，該菌劑以芽孢桿菌（Bacillus）為主，有益菌數(shù)>109個(gè)·g?1。兩種模式發(fā)酵床均選擇 40 kg 左右的仔豬，且仔豬生長(zhǎng)健康狀況良好。

1.3 試驗(yàn)方法

原位發(fā)酵床通過(guò)在豬舍內(nèi)鋪設(shè)含有有益微生物的墊料將生豬糞尿原位分解，并利用生豬的拱掘習(xí)性對(duì)墊料翻堆，無(wú)沖水過(guò)程。異位發(fā)酵床則每日采用人工清糞的方式將大部分生豬廢污送至發(fā)酵床的表面，并進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械翻堆，而沖洗殘留糞便以及尿液的污水是經(jīng)過(guò)排污孔進(jìn)入異位發(fā)酵床。為避免發(fā)酵床墊料含水率過(guò)高，試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格控制養(yǎng)殖區(qū)的用水量約為每10 d 20 kg。依據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》計(jì)算每日每只生豬產(chǎn)生的糞便和尿液量，兩個(gè)處理的生豬飼養(yǎng)采用相同的飼料與飲用水，本試驗(yàn)中異位發(fā)酵床和原位發(fā)酵床所處的外界環(huán)境條件也完全一致。

采用小型翻堆機(jī)（2.2 kW 電機(jī)，220 V 電壓），對(duì)原位與異位發(fā)酵床同時(shí)進(jìn)行深度翻堆（深度為60 cm）。按照五點(diǎn)采樣法采集原位與異位發(fā)酵床的上層（0~20 cm）、中層（20~30 cm）和下層（30~50 cm）墊料樣品，并將3 層樣品混勻后裝入自封袋備用。取樣時(shí)間為第0（即試驗(yàn)開始當(dāng)天）、8、16、24、32、40、48、56、64、73 d。取一部分新鮮樣品進(jìn)行pH、含水率和微生物數(shù)量指標(biāo)的測(cè)定；剩余樣品放置在陰涼處風(fēng)干后磨碎貯存，用于測(cè)定總氮、碳氮比、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 墊料溫度

每日9：00 左右根據(jù)五點(diǎn)測(cè)樣法用堆肥溫度計(jì)測(cè)定 20、30、40 cm 深度處的墊料溫度，3 個(gè)深度處的平均值為該墊料的溫度。同時(shí)，用干濕溫度計(jì)觀測(cè)異位發(fā)酵床附近的環(huán)境溫度。

1.4.2 墊料pH及電導(dǎo)率

采用四分法取混合均勻的新鮮樣品5 g 于100 mL 錐形瓶?jī)?nèi)，加入50 mL 去離子水，用振蕩器（150 r·min?1）振蕩浸提 30 min，再用pH 計(jì)和電導(dǎo)率儀分別測(cè)定懸浮液的pH和電導(dǎo)率。

1.4.3 墊料含水率及糞污吸納系數(shù)

采用四分法取混合均勻的新鮮樣品50 g 于鋁箔內(nèi)，然后放入鼓風(fēng)干燥箱105 ℃烘干8 h，取出冷卻30 min 后稱質(zhì)量，測(cè)定其含水率；按照《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》計(jì)算生豬育肥期的糞便和尿液產(chǎn)生量，將添加的糞污質(zhì)量與墊料初始質(zhì)量相比，其比值即為發(fā)酵全過(guò)程墊料的糞污吸納系數(shù)[9]。

1.4.4 細(xì)菌群落多樣性

按照TIANamp Stool DNA Kit 試劑盒的提取步驟進(jìn)行樣品DNA 的提取，提取完成的DNA 于?20 ℃保存，以備后續(xù)微生物多樣性的測(cè)定使用。采用16S rRNA 基因 V3~V4 區(qū)域的通用細(xì)菌引物 338F（5’?ACT CCT ACG GGA GGC AGC AG?3’）和 806R（5’?GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT ?3’）對(duì)樣品總DNA 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，目的條帶大小正確則采用Illu?mina MiSeq PE300 測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，測(cè)序結(jié)果由北京奧維森基因科技有限公司提供。

下機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)QIIME1（v1.8.0）軟件根據(jù)Barcode序列拆分樣本，使用Pear（v0.9.6）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、拼接。拼接后使用Vsearch（v2.7.1）軟件去除長(zhǎng)度小于230 bp 的序列，并根據(jù)Gold Database 數(shù)據(jù)庫(kù)用uchime 方法比對(duì)去除嵌合體序列。使用Vsearch（v2.7.1）軟件uparse 算法對(duì)優(yōu)質(zhì)序列進(jìn)行OTU 聚類（Operational Taxonomic Units），序列相似性閾值為97%。與Silva128數(shù)據(jù)庫(kù)使用RDP Classifier算法進(jìn)行比對(duì)，設(shè)置70%的置信度閾值，得到每個(gè)OTU 對(duì)應(yīng)的物種分類信息。再利用QIIME1（v1.8.0）軟件對(duì)樣本計(jì)算Shannon多樣性指數(shù)?；谖锓N注釋及相對(duì)豐度結(jié)果，使用R（v3.6.0）軟件進(jìn)行物種組成柱狀圖分析。

相應(yīng)的數(shù)據(jù)釋放于SRA（Sequence Read Archive）數(shù)據(jù)庫(kù)，編號(hào)為PRJNA728848。

1.4.5 墊料中的養(yǎng)分含量

采用《有機(jī)肥料》（NY 525—2012）中規(guī)定的方法進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。全氮采用硫酸?過(guò)氧化氫消煮?凱氏定氮法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，并用Origin 9.0軟件作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵床墊料的溫度變化

由圖3 可見，在整個(gè)試驗(yàn)期間室內(nèi)空氣溫度呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，在11~23 ℃范圍內(nèi)變化。而同期原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床內(nèi)溫度明顯高于室溫。發(fā)酵最初2 d原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床內(nèi)溫度從室溫急劇升高至60 ℃左右，然后保持在50.0~65.0 ℃范圍內(nèi)變化，至56 d 后，發(fā)酵能力逐漸減弱，墊料內(nèi)溫度逐漸降低，至第73 d，墊料內(nèi)溫度降低至與室溫接近，發(fā)酵結(jié)束。對(duì)比分析可見，異位發(fā)酵床在發(fā)酵期間床體溫度略高于原位發(fā)酵床，但差異不明顯。整個(gè)試驗(yàn)期間異位發(fā)酵床床體溫度維持在53 ℃左右，而原位發(fā)酵床床體溫度維持在49 ℃左右，均能夠滿足微生物活性要求。

2.2 發(fā)酵床墊料的pH變化

由圖4 可知，整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的pH 總體呈現(xiàn)升高下降的波動(dòng)變化趨勢(shì)，且整體pH 在7.2~8.6 范圍內(nèi)變化，并且兩種模式發(fā)酵床pH 的整體變化趨勢(shì)基本一致。原位發(fā)酵床的pH 由起始的7.56 快速上升，在第48 d 達(dá)到最大值8.24，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為7.83。異位發(fā)酵床的起始pH為7.96，48 d時(shí)達(dá)到最高值8.56，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)為8.01。對(duì)比分析可見，在發(fā)酵過(guò)程中異位發(fā)酵床的整體pH略高，這說(shuō)明異位發(fā)酵床內(nèi)微生物的代謝產(chǎn)生了更多的堿性物質(zhì)。

2.3 發(fā)酵床內(nèi)生豬生長(zhǎng)狀況

由表1 可知，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的生豬初始質(zhì)量均為40 kg左右，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，兩種模式發(fā)酵床的生豬質(zhì)量差異顯著，原位發(fā)酵床的生豬平均質(zhì)量為112.96 kg，異位發(fā)酵床的生豬平均質(zhì)量為145.36 kg，兩種模式平均生豬的質(zhì)量相差約33 kg，這說(shuō)明與原位發(fā)酵床相比異位發(fā)酵床養(yǎng)殖模式更有利于生豬的生長(zhǎng)。

表1 發(fā)酵前后生豬質(zhì)量（kg）Table 1 Weight of pigs before and after fermentation（kg）

2.4 發(fā)酵床墊料含水率變化與廢水吸納系數(shù)

由圖5 可知，整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的含水率總體呈現(xiàn)升高下降的波動(dòng)變化趨勢(shì)，且整體處于45%~66%之間，并且兩個(gè)發(fā)酵床的變化趨勢(shì)基本一致。床體墊料初始含水率約為50%，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行和廢水的加入，墊料含水率升高，又因?yàn)橹苓叚h(huán)境溫度變化以及墊料的持續(xù)性高溫造成了墊料水分的蒸發(fā)，以致墊料含水率呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。原位發(fā)酵床中的含水率在46%~66%之間變化，波動(dòng)范圍相對(duì)較大；而異位發(fā)酵床的含水率在47%~60%之間變化，波動(dòng)范圍相對(duì)較小。

本研究原位發(fā)酵床不沖水，異位發(fā)酵床用水量如表2 表示，整個(gè)試驗(yàn)期間大約每10 d 沖洗養(yǎng)殖區(qū)域1次，用水量共計(jì)159.65 kg。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》，華北區(qū)育肥期生豬糞便的產(chǎn)排污系數(shù)為1.81 kg·頭?1·d?1，尿液的產(chǎn)排污系數(shù)為2.14 L·頭?1·d?1。研究期間每個(gè)發(fā)酵床飼養(yǎng)生豬3 頭，育肥育成期73 d，共計(jì)產(chǎn)生糞便396.39 kg，產(chǎn)生尿液468.66 L。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)全過(guò)程中異位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖糞便和廢水的吸納系數(shù)分別為1.24和1.96；原位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖糞便和廢水的吸納系數(shù)分別為1.24和1.46。

表2 異位發(fā)酵過(guò)程中沖洗養(yǎng)殖區(qū)的用水量（kg）Table 2 Water amount to flush the culture area during fermentation period（kg）

2.5 發(fā)酵床墊料養(yǎng)分含量變化

圖6 為兩種發(fā)酵床在試驗(yàn)開始及結(jié)束時(shí)墊料中的營(yíng)養(yǎng)成分（總氮、有機(jī)質(zhì)和碳氮比）的變化情況。由圖可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)墊料中的總氮較開始時(shí)極顯著增加（P<0.01），而墊料中的有機(jī)質(zhì)和碳氮比與開始時(shí)比均顯著下降（P<0.01）。原位發(fā)酵床總氮含量由初始的0.75%增加到結(jié)束時(shí)的2.4%；異位發(fā)酵床的總氮含量由初始的0.77%增加到結(jié)束時(shí)的2.54%。對(duì)比分析可知，異位發(fā)酵床比原位發(fā)酵床總氮含量高，發(fā)酵后原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的總氮含量均比發(fā)酵前顯著增加，這與有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下?lián)]發(fā)，總干物質(zhì)質(zhì)量減少及豬糞廢水的持續(xù)加入有關(guān)。原位發(fā)酵床墊料的有機(jī)質(zhì)和碳氮比分別由初始的81.54%和62.98 減至結(jié)束時(shí)的54.30%和13.12，分別減少了27.24 個(gè)百分點(diǎn)和79.17%；異位發(fā)酵床墊料的有機(jī)質(zhì)和碳氮比分別由初始的84.16%和63.40 減至結(jié)束時(shí)的50.91%和11.63，分別減少了33.25 個(gè)百分點(diǎn)和81.66%，發(fā)酵結(jié)束時(shí)原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的有機(jī)質(zhì)和碳氮比均差異顯著，異位發(fā)酵床比原位發(fā)酵床的變化幅度大。

2.6 發(fā)酵床墊料的細(xì)菌群落組成

圖7 為原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床不同層次墊料的α多樣性，在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，Shannon指數(shù)微生物多樣性參數(shù)呈現(xiàn)出顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05）。由圖可以看出，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床墊料中層的Shan?non 指數(shù)比上層和下層高，說(shuō)明中層墊料的細(xì)菌群落比上層和下層更為多樣化。對(duì)比而言，發(fā)酵結(jié)束時(shí)原位發(fā)酵床墊料的Shannon 指數(shù)均值達(dá)到7.21，異位發(fā)酵床墊料的Shannon 指數(shù)均值達(dá)到5.98，說(shuō)明原位發(fā)酵床比異位發(fā)酵床的細(xì)菌群落更加多樣化。

基于16S rRNA 基因的V3~V4 區(qū)高通量測(cè)序結(jié)果，在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床不同層次墊料的細(xì)菌群落組成在門水平和屬水平上的相對(duì)豐度變化規(guī)律如圖8 所示。如圖8A 所示，發(fā)酵結(jié)束時(shí)，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床不同層次墊料的優(yōu)勢(shì)菌門是厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacte?ria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloro?flexi）和擬桿菌門（Bacteroidetes）。原位發(fā)酵床的厚壁菌門相對(duì)豐度約為34%，變形菌門的相對(duì)豐度約為20%，綠彎菌門的相對(duì)豐度約為15%，擬桿菌門的相對(duì)豐度約為14%；異位發(fā)酵床厚壁菌門的相對(duì)豐度約為54%，變形菌門的相對(duì)豐度約為14%，放線菌門的相對(duì)豐度約為17%；原位發(fā)酵床的變形菌門、綠彎菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度比異位發(fā)酵床高，而異位發(fā)酵床的厚壁菌門和放線菌門的相對(duì)豐度比原位發(fā)酵床高。

從圖8B 可以看出，在屬的分類水平上，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的優(yōu)勢(shì)菌群存在差異。原位發(fā)酵床主要有芽孢桿菌屬（Bacillus）、乳桿菌屬（Ruminofili?bacter）、賴氨酸芽孢桿菌屬（Lysinibacillus）等；異位發(fā)酵床主要有芽孢桿菌屬、嚴(yán)格梭菌屬（Clostridi?um_sensu_stricto_1）、Tepidimicrobium等；發(fā)酵結(jié)束后，兩種模式發(fā)酵床大部分細(xì)菌都是益生菌。其中原位發(fā)酵床的芽孢桿菌屬相對(duì)豐度約為5.5%，異位發(fā)酵床約為30%；原位發(fā)酵床的Tepidimicrobium相對(duì)豐度約為2%，而異位發(fā)酵床約為15%。異位發(fā)酵床的嚴(yán)格梭菌屬和Tepidimicrobium的相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于原位發(fā)酵床，且芽孢桿菌屬相對(duì)豐度比原位發(fā)酵床高。

3 討論

3.1 不同模式發(fā)酵床墊料理化性質(zhì)變化

影響微生物發(fā)酵床發(fā)酵功能的指標(biāo)主要有墊料的溫度、含水率和pH 等。溫度是反映發(fā)酵床效率最為直觀的指標(biāo)，也是反映微生物活性的重要指標(biāo)之一[8]。有研究表明，床體溫度保持在55 ℃以上超過(guò)3 d，可以殺滅墊料中的有害微生物，確保墊料衛(wèi)生合格[12]。本試驗(yàn)所研究的異位發(fā)酵床和原位發(fā)酵床在處理生豬廢棄物過(guò)程中墊料溫度在初期保證了至少有3 d 高于55 ℃，確保了填料衛(wèi)生合格。微生物可以通過(guò)分解畜禽廢棄物來(lái)滿足自身生長(zhǎng)繁殖需要并進(jìn)一步產(chǎn)生熱量。本研究中，異位發(fā)酵床墊料溫度大于原位發(fā)酵床，這說(shuō)明異位發(fā)酵床中的嗜熱微生物更為活躍[13]。本研究中兩種模式發(fā)酵床pH 的整體變化趨勢(shì)基本一致。異位發(fā)酵床發(fā)酵過(guò)程中的pH要高于原位發(fā)酵床，這是因?yàn)楫愇话l(fā)酵床中的微生物代謝水平較高，促進(jìn)了有機(jī)物的分解，增加了pH。研究表明，微生物好氧發(fā)酵適宜的 pH 范圍在 6.5~9.0 之間[14?16]，此時(shí)微生物生長(zhǎng)以及有機(jī)質(zhì)的分解速率最大。TAM等[17]的研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵床墊料過(guò)酸（pH<5.9）或過(guò)堿（pH>9.0）均不利于糞尿的發(fā)酵分解。試驗(yàn)初期微生物大量繁殖，分解墊料以及生豬廢棄物中的含氮物質(zhì)，釋放出氨氣，從而導(dǎo)致pH增加；同時(shí)微生物進(jìn)行硝化作用產(chǎn)生H+，導(dǎo)致pH 下降，進(jìn)而導(dǎo)致pH 呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)。通常發(fā)酵床自身具有調(diào)節(jié)功能，可使pH 處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。異位發(fā)酵過(guò)程中的pH 要高于原位發(fā)酵過(guò)程，這是由于異位發(fā)酵床中微生物降解的有機(jī)物質(zhì)更多造成的。

3.2 不同模式發(fā)酵床生豬生長(zhǎng)狀況變化

兩種模式發(fā)酵床對(duì)生豬生長(zhǎng)狀況的影響是最直接反映其差異性的指標(biāo)。兩種模式發(fā)酵床選用的生豬初始質(zhì)量相近，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)兩種模式發(fā)酵床的生豬質(zhì)量差異顯著，異位發(fā)酵床生豬的平均質(zhì)量比原位發(fā)酵床生豬高約33 kg。研究表明，異位發(fā)酵床養(yǎng)殖生豬比原位發(fā)酵床養(yǎng)殖生豬的生長(zhǎng)疾病少[18]。另外，生豬是一種恒溫動(dòng)物，發(fā)酵床的溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)狀況造成一定的影響[19]。異位發(fā)酵床的生豬生活在水泥地上，與環(huán)境溫度一致，而原位發(fā)酵床的生豬生活在發(fā)酵床填料上，墊料溫度對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響。本試驗(yàn)研究中，采用異位發(fā)酵床養(yǎng)殖生豬比原位發(fā)酵床養(yǎng)殖生豬更有利于生豬的生長(zhǎng)。

3.3 不同模式發(fā)酵床墊料廢水及廢棄物的變化

含水率直接關(guān)系到發(fā)酵床填料溫度、微生物發(fā)酵以及分解糞便的水平。含水率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)生有害氣體，而含水率過(guò)低則會(huì)抑制微生物的新陳代謝[20]。含水量能夠調(diào)節(jié)溫度、pH 和微生物的代謝過(guò)程[21]。有研究表明，發(fā)酵床適宜微生物好氧發(fā)酵的含水量范圍為45%~60%[20?22]。在本研究中，異位發(fā)酵床的溫度較原位發(fā)酵床的溫度高、蒸發(fā)量大，因此原位發(fā)酵床比異位發(fā)酵床的含水率要高。根據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》的相關(guān)系數(shù)計(jì)算，試驗(yàn)全過(guò)程中異位和原位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便的吸納系數(shù)均為1.24；異位和原位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢水的吸納系數(shù)分別為1.96 和1.46。因此異位發(fā)酵床處理糞污的能力要優(yōu)于原位發(fā)酵床。

異位發(fā)酵床的腐熟程度可以用總氮、有機(jī)質(zhì)和C/N等指標(biāo)指示。在微生物的作用下發(fā)酵床填料中不同形態(tài)的氮素之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)化，存在一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程[23]。有研究表明，隨著填料使用時(shí)間的延長(zhǎng)，以及畜禽糞便的不斷排放，填料中的氮含量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，然而有機(jī)質(zhì)、C/N 則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[23?24]。本研究中，原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床墊料的總氮呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，與微生物代謝導(dǎo)致總干物質(zhì)質(zhì)量減少及豬糞廢水的持續(xù)添加有關(guān)[25]。而有機(jī)質(zhì)和C/N呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是由于填料中的有機(jī)質(zhì)在發(fā)酵過(guò)程中發(fā)生降解所致[24]，本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致。對(duì)比分析可知，異位發(fā)酵床比原位發(fā)酵床總氮含量高，有機(jī)質(zhì)和C/N 的變動(dòng)幅度大，這說(shuō)明異位發(fā)酵床比原位發(fā)酵床降解代謝了更多的有機(jī)廢棄物。

3.4 不同模式發(fā)酵床墊料細(xì)菌群落的變化

微生物是發(fā)酵床建立的主體，是影響發(fā)酵床發(fā)酵過(guò)程的決定性因素。發(fā)酵結(jié)束時(shí)，原位發(fā)酵床的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)比異位發(fā)酵床更為多樣化，這表明生豬廢棄物、腸道微生物及其體表微生物提高了原位發(fā)酵床的物種豐富度；然而異位發(fā)酵床的養(yǎng)殖模式不利于相關(guān)微生物向墊料轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致細(xì)菌群落多樣性降低。有研究表明，養(yǎng)豬發(fā)酵床墊料菌群主要是由變形菌門、厚壁菌門、放線菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門等組成[26?27]。原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床不同層次墊料的微生物主要有厚壁菌門、變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門（Gemmatimonade?tes）[28]，這與本研究結(jié)果一致。厚壁菌門在原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床中均占據(jù)了很大比例，屬于嗜熱菌。LI 等[29]對(duì)連續(xù)高溫堆肥過(guò)程中細(xì)菌群落和功能特征的變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)綠彎菌門、厚壁菌門和放線菌門是堆肥后期的主要菌門。放線菌門主要參與纖維素的降解，綠彎菌門屬于厭氧生物，與含水量的多少有關(guān)，變形菌門在微生物發(fā)酵床處理中主要參與氮、碳物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用[30?31]。本研究原位發(fā)酵床的變形菌門、綠彎菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度比異位發(fā)酵床高，而異位發(fā)酵床的厚壁菌門和放線菌門的相對(duì)豐度比原位發(fā)酵床高。原位發(fā)酵床以芽孢桿菌屬為主，異位發(fā)酵床大部分都是降解菌，可以看出發(fā)酵結(jié)束后原位發(fā)酵床和異位發(fā)酵床的菌屬大部分都是益生菌。芽孢桿菌屬是常見的能參與大分子聚合物如淀粉、木質(zhì)纖維素等降解的微生物[32]。有研究證明Tepidimi?crobium能夠分解廢棄物中的多糖類物質(zhì)，且能夠參與纖維素的降解[33]。異位發(fā)酵床的芽孢桿菌屬和Tepidimicrobium的相對(duì)豐度比原位發(fā)酵床高，說(shuō)明異位發(fā)酵床更有利于廢棄物的降解。微生物發(fā)酵床中的微生物是一個(gè)綜合整體，各種理化指標(biāo)的變化都會(huì)對(duì)微生物的代謝和生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論

（1）異位發(fā)酵床內(nèi)溫度和pH變化穩(wěn)定，為嗜熱菌群的生長(zhǎng)繁殖提供了適宜的環(huán)境，促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的分解和微生物的代謝過(guò)程。

（2）溫度對(duì)于生豬的生長(zhǎng)具有重要作用，異位發(fā)酵床養(yǎng)殖更有利于生豬的生長(zhǎng)。

（3）發(fā)酵結(jié)束時(shí)，異位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便和廢水的吸納系數(shù)分別為1.24和1.96；原位發(fā)酵床墊料對(duì)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便和廢水的吸納系數(shù)分別為1.24 和1.46。異位發(fā)酵床對(duì)生豬養(yǎng)殖廢水的吸納能力優(yōu)于原位發(fā)酵床。

（4）發(fā)酵結(jié)束時(shí)，原位發(fā)酵床不同層次墊料的優(yōu)勢(shì)菌門是厚壁菌門、變形菌門、綠彎菌門和擬桿菌門，異位發(fā)酵床不同層次的優(yōu)勢(shì)菌門為厚壁菌門、變形菌門和放線菌門；異位發(fā)酵床以芽孢桿菌屬為主的降解菌的相對(duì)豐度較高，有利于生豬養(yǎng)殖糞污和廢棄秸稈的降解。