引用本文
沈琦, 叶世豪, 孙宏, 姚晓红, 吴逸飞, 王新, 汤江武. 畜禽异位发酵床中垫料和微生物的研究概述[J]. 浙江农业科学, 2019,60(3):476-479  
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20190342
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畜禽异位发酵床中垫料和微生物的研究概述
沈琦1, 叶世豪2, 孙宏1, 姚晓红1, 吴逸飞1, 王新1, 汤江武1,*
1.浙江省农业科学院 植物保护与微生物研究所,浙江 杭州 310021
2.华中农业大学 生命科学与技术学院,湖北 武汉 430070
通讯作者:汤江武,研究员,从事畜禽养殖污染物资源化综合利用方面的研究工作,E-mail:tangjiangwu@sina.com。

作者简介:沈琦(1989—),女,江苏盐城人,助理研究员,博士,从事工农业废弃物资源化利用方面的研究工作,E-mail:18758062178@163.com。

基金项目: 浙江省重点研发计划项目(2018C02024); 浙江省农科院青年人才培养计划(10102000618CF0201G/016)
摘要

异位发酵床技术作为一种新型畜禽粪污处理技术,在降低面源污染方面效果明显。异位发酵床研究中的关键是垫料和功能微生物的选择。本文拟从上述两方面进行综述,以期为异位发酵床的推广应用提供理论参考。

关键词: 异位发酵床; 垫料; 功能微生物
中图分类号:S828 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2019)03-0476-04

近年来, 随着我国畜禽养殖业的集约化发展, 畜禽粪便已经成为我国农业面源污染的主要来源之一[1], 畜禽粪便所造成的恶臭污染、氮磷污染、添加剂污染及重金属污染日益严重, 已经威胁到农业社会的可持续发展。因此, 如何有效处理畜禽粪便, 降低农业面源污染, 并实现废弃物的资源化利用, 最终达到减量化、无害化的目标, 已成为农业社会亟须解决的难题。

作为畜禽粪便减排的一种新型养殖方式, 发酵床养殖技术近年受到人们广泛关注, 其主要是通过添加功能微生物和垫料, 利用功能微生物的代谢活动, 降解养殖过程中产生的粪尿排泄物, 免去冲洗猪舍产生的大量污水, 实现畜禽养殖的零排放目标。发酵床养殖技术是20世纪90年代从日本引入的, 在我国部分省市试点并推广示范, 取得良好的环境与经济效应[2], 但在实际应用中仍存在一些问题, 如床体的高温、垫料中可能携带的病原菌均影响畜禽的生长, 同时, 传统猪舍改造成本高等。而异位发酵床模式将发酵床与畜禽养殖分离, 是一种新型的猪粪尿处理技术, 也更适用于传统猪舍的粪污处理[3]。董丽婷等[3]通过对异位发酵床熟化垫料的分析, 发现其营养物质丰富, 总养分含量和重金属含量均符合农业部有机肥料标准(NY 525— 2012)。因此异位发酵床技术是一项有利于将畜禽粪污转化为有机肥的技术, 将熟化后的垫料还田, 不仅有利于实现资源的高效循环利用, 还可增加土壤的有机质, 减少化肥施用, 实现农业的绿色可持续发展。

1 异位发酵床的基本原理

异位发酵床(图1)的发酵过程其实就是微生物发酵降解粪污中有机物的过程, 其中微生物的群落结构变化可以反映出发酵床的运行情况, 发酵过程中填料的营养成分、pH值、温度等的变化都会影响微生物群落的变化[4], 发酵初期微生物数量较低, 随着异位发酵床内不断添加养殖废弃物, 填料中可直接利用的养分增多, 微生物迅速繁殖, 此时细菌真菌数量快速增加。同时, 大量微生物分解粪尿及填料中的有机物释放的热量导致床体迅速升温, 初期床体中的微生物分解能力较强, 填入的粪污被微生物快速分解和消耗, 持续高温使得水分蒸发较快, 约20 d左右随着垫料含水量持续下降, pH值升高, 此时不利于微生物的生长繁殖, 这个阶段细菌和真菌的数量均下降, 此时通过添加粪尿的方式进行填料, 随着填料过程完成, 床体内含水量和养分含量逐渐上升, 细菌和真菌数量升高进入发酵后期, 床体主要营养成分含量逐渐降低, 可直接被微生物利用的养分迅速减少, 微生物的群落结构发生变化, 此时则需要通过翻堆添加新鲜垫料及补充菌剂的方式调整微生物群落结构, 使床体恢复分解能力, 提高粪尿降解的效率, 降低死床风险[5, 6]。由此可见, 异位发酵床养殖模式的关键在于功能微生物和垫料的研究。

图1 异位发酵床

2 功能微生物的研究

异位发酵床养猪技术的核心是微生物菌群分解猪粪尿, 微生物的种类和数量对发酵床的成功运行至关重要。一般来说共两点要求:一是粪污分解能力强, 二是具备较强的耐热性。因为发酵床的发酵温度若< 50 ℃, 则不能杀死病原菌; 菌株的粪便降解速率若低于粪便添加速率, 则垫料过湿烂泥化, 发酵床功能丧失; 发酵床中的废弃物包含粗纤维、粗蛋白、粗脂肪、残余淀粉、尿素等有机物质, 需要考虑多菌种多酶系的分工协作, 因此发酵床菌群往往是由多种有益菌株及其代谢产物组成。

2.1 主要微生物

芽孢杆菌是自然界中广泛存在的好氧腐生菌, 因其含有内生孢子的原因, 具备耐高温, 耐酸碱等抗逆性, 当发酵床体温度> 50 ℃时, 其他菌株生长繁殖受限, 而芽孢杆菌生长迅猛, 成为发酵床高温阶段的主要功能菌株。赵国华等[7]以常规的传统分离法研究了养猪场垫料中微生物组成, 发现芽孢杆菌为优势菌株, 可降解垫料中的有机质。宦海琳等[8]采用PCR-DGGE技术研究发酵床垫料中的细菌群落多样性, 发现其中的主要菌群是节杆菌属, 放线菌属, 芽孢杆菌属和梭菌属等。

2.2 其他功能微生物

光合细菌是地球上出现最早、自然界中普遍存在的原核生物, 其适应性强, 能忍耐高浓度的有机废水, 并对酚、氰等毒物有一定的耐受性和分解能力。在异位发酵床中, 常见的是紫色非硫细菌, 其能利用粪便中的铵态氮, 硫化氢, 单糖等有机物为碳源, 将硝酸根还原为氮气, 从而达到除臭的目的。

放线菌在发酵床功能菌群中主要是预防和抑制病害, 放线菌可以产生抗菌素, 对寄生虫等具有抑制作用[9]; 此外, 高温放线菌还可在高温阶段中协同芽孢杆菌持续发酵, 分解粪便及垫料成分, 以维持床体的温度。

酵母菌作为真核生物具备一定的抑制物耐受性, 同时研究表明, 酵母菌可有效提高纤维素的降解率[10]; 乳酸菌作为厌氧繁殖的革兰氏阳性菌, 可以发酵产生大量乳酸, 具备很强的杀菌能力, 抑制有害菌的繁殖并加速有机物的腐败分解。但酵母菌和乳酸菌都在60 ℃即会失活, 在床体的发酵时间有限。

3 异位发酵床垫料的研究

垫料是异位发酵床床体的主要组成部分, 是微生物生长繁殖的培养基, 可以在提供碳源、保证通气量、维持床体温度等方面影响菌种对粪便的分解过程。同时猪粪由于碳氮低而含水量高, 因而在猪场的发酵床垫料选择时, 需要选择碳水化合物含量高、透气性好、吸附性好的垫料, 以保证发酵过程的持续高效, 同时还要从C/N、含水量、pH值等多个方面考虑垫料对微生物的影响。

3.1 C/N

微生物的生存和繁殖离不开碳源和氮源, 而垫料和猪粪尿中含有易分解的有机物, 可以维持微生物的生长。异位发酵床垫料中C/N是发酵体系中最重要的影响因素, 决定了微生物的生长速率, 并且有利于粪便快速发酵分解[11]。

顾洪如等[12]将常见垫料的C/N做了统计, 由表1可知, 其中最高的为锯末, C/N达491。微生物生长的最佳C/N为25, 当C/N在25~35时, 发酵过程最快; 当C/N< 20时, 微生物因能量不足生长繁殖受到抑制, 粪污分解能力下降; 当C/N> 35时, 有利于发酵过程的升温, 但消耗垫料过快。由于猪粪的C/N为7, 是提供氮素的主要原料, 因此垫料配方应该补充高C/N的基质, 使总的C/N> 25。

表1 常见垫料基质的C/N
3.2 含水量与透气性

异位发酵床垫料的含水率直接影响到菌种发酵效率的高低, 一般含水量为50%~60%时, 菌种活力最高; 发酵床的菌株多为好氧微生物, 只有透气性好才有助于菌群的繁殖和粪尿的降解, 因而垫料常常选择疏松多孔, 透气性好的锯末。

3.3 pH值、厚度与粒度

功能微生物的发酵一般需要弱碱性, 垫料pH值最好为7.5左右。pH值偏低, 微生物无法降解有机质; pH偏高, 则导致氨的大量挥发[13]。但是一般的垫料发酵可通过翻扒混匀垫料, 从而调节pH值以适应微生物生长。在异位发酵床中, 垫料的厚度是决定床体温度的重要因素, 一般床体> 50 cm的高度。同时, 垫料的粒度也影响着发酵床的发酵进程, 粒度的大小与其比表面积成反比, 进而影响着发酵速度的快慢和对粪尿的消解能力。

3.4 垫料配比

不同的垫料配比会对微生物的发酵产生很大影响, 合适的垫料配比是发酵菌株能更快的分解畜禽的粪尿。异位发酵床的床体是在畜禽舍外构建, 并配有自动翻扒机器, 故而发酵条件优于原位发酵床。就垫料而言, 可参考原位发酵床的适宜配方。从目前实际应用情况看, 锯末和谷壳为主要成分。研究显示, 80 cm厚的垫料需要谷壳和锯末140 kg· m-2, 对养殖场而言垫料成本较高, 同时木屑在生产建材等方面均有应用, 进而影响木屑的供应。因而考虑可利用来源广泛、价格便宜、采集方便的秸秆类替代物作为发酵床垫料。杨国义等[14]利用稻草、锯末、树叶、粉煤灰等作为垫料进行发酵床研究发现, 稻草在发酵过程中容易腐烂, 与锯末等复配可以减少结块, 促进铵态氮向硝态氮的转化, 促进腐熟; 汪开英等[15]以碧糠、锯末、中药渣、茶叶渣等为发酵床垫料进行复配, 研究显示, 20%碧糠和木屑为最合适的垫料配方; Guo等[16]以秸秆类物质与菌渣和木屑混合作为牛粪异位发酵床垫料研究发现, 玉米秆、油菜杆和水稻秆都能较好的吸收牛粪。

3.5 垫料面积

不同于原位发酵床, 异位发酵床是利用翻扒机进行垫料翻堆, 因而垫料的粪污吸纳率往往影响着发酵的成功与否。顾洪如等[12]研究表明, 垫料第1次可吸收的粪污量为自身干物质量的10%, 而翻堆过程可蒸发10%的水分, 按母猪平均粪污产生量10 kg· (头· d)-1计, 每头母猪每个月的粪污量300 kg, 即1 t垫料每月可吸纳处理3头母猪产生的粪污, 其中1 t垫料体积约3 m3。异位发酵床设施总面积估算方程:

y=(0.78x-91.83)/4.5。

式中, y为面积(m2), x为猪头数。

4 垫料中功能微生物的发酵过程

异位发酵床的发酵过程同样包含升温、高温和降温3个阶段, 相关的功能微生物也在不同阶段发挥了对有机物的分解作用。初始阶段, 大多数微生物都能生长繁殖, 并产生大量生物热量, 进而提高床体温度, 当床体温度> 50 ℃时, 发酵进入高温阶段。此时主要是靠嗜热好氧微生物起主要作用, 将有机物分解形成腐殖质, 当温度升至60~70 ℃时, 大量的嗜热菌进入休眠或者死亡状态, 主要靠菌体分泌的酶承担分解作用, 由于菌种活力下降导致产热减少, 从而使得温度降低。当温度< 60 ℃时, 休眠菌又开始活动, 产生新的热量, 反复使床体温度维持60~70 ℃, 粪污等有机物被降解, 有害细菌也被高热杀灭[17]。高温一段时间后, 纤维素类物质基本分解完毕, 床体主要成分为分解产生的腐殖质, 菌体活动减弱, 温度下降, 当温度< 40 ℃时嗜热菌降解剩余有机物, 随着床体体积的缩小, 床体温度逐渐下降至稍高于环境温度。

5 小结

在畜禽粪污的异位发酵床处理模式中, 影响发酵进程的主要因素是功能微生物与垫料的构成。因此要提高粪污降解效率, 并实现异位发酵床技术的广泛推广, 首先, 应研究透彻发酵床的主要功能微生物及其作用机制, 深入理解粪污的降解机理, 找出起主导作用的功能菌株; 其次, 在异位发酵床建设时, 充分考虑粪污的添加量与床体垫料的吸纳率, 合理构建床体的大小, 并规划粪污的添加; 最后, 考虑床体的建设成本, 应以当地的廉价废弃物作为垫料基质, 并考虑只用土著菌和自制菌剂以降低成本。

The authors have declared that no competing interests exist.

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