CN109258576A - 基于黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的方法，主要解决农作物秸秆难处理的问题。该方法首先将秸秆经一系列预处理制成颗粒或粉末，接着与复合菌剂混合并在适宜条件下进行适度的发酵分解，最后将黑水虻引入发酵后的物料中进行培养，分离得到具有一定经济价值的黑水虻和优质有机肥，全程没有废弃物排放，秸秆资源得到了最大限度的利用。本发明提供的方法能够有效避免秸秆焚烧处理及由此造成的环境污染问题，同时降低了黑水虻的养殖成本，对于解决秸秆等农业废弃物的污染和浪费以及增加农民收入具有重要的意义，应用前景广阔，值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及农业废弃秸秆生物转化及环保技术领域，具体涉及一种基于黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的产业化、规模化方法。
背景技术
农作物秸秆是重要的生物质能源，其主要成分为木质素、纤维素和半纤维素，由于这些成分特殊的物理化学性质导致农作物秸秆没有得到有效利用。目前对农作物秸秆的总利用率不足33％，经技术处理的利用率也不足2.6％。因此，农作物秸秆的有效处理或转化利用依然面临着巨大的挑战。目前农作物秸秆的处理方式主要包括机械粉碎、蒸汽爆破等物理处理方法，酸、碱、盐、有机溶剂浸泡溶解等化学处理方法，以及在人工控制下利用细菌、真菌等微生物进行发酵分解的生物处理方法。但是单纯的微生物发酵处理方法依然存在许多问题，比如微生物生长周期长、对温度要求高、处理效率低以及受物料的pH和组成等的影响较大。
黑水虻(Black Soldier Fly)又被称作亮斑扁角水虻(Hermetiaillucens)，属于双翅目水虻科昆虫。研究表明，黑水虻唾液腺和肠道两大器官可以分泌活性远远高于家蝇的消化酶，尤其是其中的胰蛋白酶能够实现有机废弃物的有效消化转化。相比于其他营腐生生活昆虫，黑水虻肠道内丰富的酶类和微生物使其幼虫拥有更广泛的采食范围，并且能够对有机物产生高效的消化转化，进而形成自身有机体的有机质，而被消化分解的有机物可作为优质肥料。
黑水虻自身有机体中，蛋白质含量20％-70％氨基酸含量30％-60％脂肪含量10％-50％糖类含量2％-10％，还包含一些脂肪酸、矿物质元素、维生素等活性物质。黑水虻的营养价值在工业、医药、保健、饲料加工等领域已经有了一定的研究，这些研究成果均表明其具有良好的前景。例如黑水虻幼虫蛋白质资源可作为动物饲料或作为大豆粉和鱼粉替代饲料应用于鸡、猪和鱼的养殖，黑水虻幼虫含有的粗脂肪资源已经被证实可以作为提取生物柴油的原料，此外黑水虻还可以作为提取抗菌肽的原材料等。环境安全性评估研究进一步说明，黑水虻只取食少量植物汁液，不携带任何病菌，因此黑水虻对人类及环境不产生任何危害，对农作物也无任何威胁，具有重要的生态价值。
早期对黑水虻开展的研究发现，其能够抑制家蝇的滋生，与家蝇具有竞争关系。基于黑水虻的腐生生活特性，其能够高效的资源化转化有机废弃物垃圾，并形成其自身的生物量。鉴于该特性，黑水虻已经被应用到有机废弃物生物转化资源化处理和环境生态等很多领域。已有学者利用黑水虻对水稻秸秆与餐厨垃圾混合物的生物转化进行了探索，利用2000头黑水虻转化1.0kg含有30％水稻秸秆和70％餐厨剩余物的有机废弃物，10天后体系内65.5％的纤维素、56.3％的半纤维素、8.8％的木质素、91.6％的蛋白质和71.6％的油脂被黑水虻消化，转化为黑水虻自身的生物质能源。中国专利CN106675773A进一步公开了利用黑水虻提取黑水虻油脂并进一步生产生物柴油的方法。中国专利CN105859345A公开了一种有机废弃物资源化利用处理成套工艺，首先将回收的有机废弃物进行三相分离处理，接着向有机固形物中引入微生物进行转化降解，最后引入昆虫进行蛋白转化。这些技术普遍局限于昆虫蛋白的转化，没有考虑昆虫油脂及最终废弃物的资源化利用，并且这些方法往往较为复杂(一般包含预处理工艺、微生物转化、昆虫蛋白转化三大步骤)，存在转化效率不高、转化时间较长、附加值较低等不足。
为此，本发明开发了一种新的农作物秸秆降解方法，通过微生物和黑水虻的多步协同降解作用以简单、低成本的工艺流程，实现了废弃农作物秸秆的资源化、高效化、无害化处理与利用，解决了黑水虻养殖过程中的原材料问题，该方法不仅有助于黑水虻规模化、工业化养殖，而且还能够副产高效的有机肥。
发明内容
本发明通过在微生物分解农作物秸秆的后半段引入黑水虻，解决了农作物秸秆过剩、污染环境的大问题，实现了农业废弃物秸秆的资源化、高效化、无害化处理与利用，同时得到了具有较高经济价值的黑水虻资源和有机肥。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的方法，包括以下步骤：
(a)收集农作物秸秆并进行预处理得到秸秆颗粒，将秸秆颗粒与微生物菌剂混合均匀，调节体系至适宜的发酵条件进行发酵；
(b)发酵完成后调节混合物料体系至适宜培养条件，引入黑水虻幼虫进行培养；
(c)培养完成后分离得到黑水虻和料渣。
进一步的，所述农作物秸秆选自水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆中的一种或几种。
进一步的，所述预处理包括机械破碎、微波处理、曝气处理、氨水浸泡处理等其中的一种或几种。
进一步的，所述微生物菌剂为复合菌剂，其组成包括芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌等。微生物菌剂使用前需用淀粉、红糖等营养物质进行活化。
更进一步的，所述微生物菌剂由芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌按照30:10:25:35的重量份数比混合而成。
进一步的，发酵前还需要加水调节物料的含水量至50％-65％，再加入尿素或豆粕等有机物调节物料的初始碳氮比(C/N)至30-90:1，所得培养基(干重)与微生物菌剂的重量比为3000-6000:1。
进一步的，发酵温度控制在60-75℃，发酵时间为7-30天(夏季7-15天、冬季延长至10-30天)，发酵环境为潮湿、有氧环境，发酵期间需要定期翻动物料以便补充氧气。
进一步的，发酵完成后加水调节物料的含水量至60％-80％，然后将其铺平，厚度控制在3-8cm，接着按照(30-50):1的质量比向物料中引入3龄及以上的黑水虻，在25-35℃、湿度60％-80％的环境中培养6-12天。
进一步的，培养完成后筛分得到黑水虻和料渣，所述黑水虻用于提取蛋白或油脂进行进一步资源开发(如生物柴油)，所述料渣直接作为有机肥用于花卉等植物的栽培。
研究表明在黑水虻整个生命周期中细菌多样性达到99.8％，并且所有的生命阶段存在六种细菌门类，尤其是肠道微生物。这些细菌或微生物包括：摩根氏菌属(Morganella)、肠杆菌属(Trabulsiella)、普罗维登斯菌属(Providencia)、苍白杆菌(Ochrobactrum)等变形菌门(Proteobacteria)、肠球菌属(Enterococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)、片球菌属(Pediococcus)等厚壁菌门(Firmicutes)以及紫单胞菌属(Dysgonomonas)等拟杆菌属(Bacteroidetes)。因此本申请中根据黑水虻所处环境微生物特点及农作物秸秆成分，采用芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌复配得到了微生物菌剂，该复合菌剂一方面提高了黑水虻的存活率、有效转化率，另一方面其中所含的木霉菌、放线菌、芽孢杆菌通过分泌生物酶能够针对性的降解农作物秸秆中的木质纤维素，所含的酵母菌能够在有氧和无氧条件下对秸秆降解产物进行进一步发酵，为黑水虻的生长转化提供完善的前期处理。此外，复合菌剂中所含的芽孢杆菌还能够与黑水虻一起共同实现有机废物的降解转化，起到协同增效的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)在探索建立黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的基础上，通过大量实验优化、调整了具体的工艺参数和复合菌剂配方，确定了高效、成熟、可工业化的秸秆降解及黑水虻养殖方案；(2)有望全面解决秸秆过剩造成的资源浪费以及焚烧处理导致的环境污染问题，实现农业废弃物秸秆的资源化、高效化、规模化、无害化处理与利用；(3)基本实现了黑水虻规模化、工业化养殖，降低了黑水虻的养殖成本，为黑水虻下游产品开发创造了良好的前提条件；(4)经黑水虻与微生物协同转化后的秸秆残渣可以作为高效、优质的有机肥，真正实现了零废弃物排放。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
本发明所使用的复合菌剂由芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌按照30:10:25:35的重量份数比混合而成。选用的黑水虻幼虫由虫卵培养至3龄以上备用。
实施例1
取500g经机械磨碎的水稻秸秆颗粒(粉末)备用。用淀粉或红糖等营养物质将0.1g复合菌剂活化，接着将活化后的复合菌剂加入到水稻秸秆中，加水调节物料的含水量至65％，再加入1.5g尿素调节物料的初始C/N比为35:1，最后盖好保鲜膜在65℃发酵7天。发酵过程中每隔一天打开一次保鲜膜，并少许翻动物料增加氧气。发酵完成后，补水至物料含水量为75％，然后将物料平铺于黑水虻养殖盒中，厚度大概为5cm，加入3龄及以上黑水虻幼虫20g，在28℃、湿度70％左右环境中培养10天。培养完成后进行筛分分离，得到黑水虻幼虫105g和料渣280g。其中料渣可直接作为植物的优质有机肥。
实施例2
取800g经机械磨碎的小麦秸秆颗粒(粉末)备用。用淀粉或红糖等营养物质将0.15g复合菌剂活化，接着将活化后的复合菌剂加入到小麦秸秆中，加水调节物料的含水量至65％，再加入2.4g尿素调节物料的初始C/N比为55:1，最后盖好保鲜膜在65℃发酵9天。发酵过程中每隔一天打开一次保鲜膜，并少许翻动物料增加氧气。发酵完成后，补水至物料含水量为75％，然后将物料平铺于黑水虻养殖盒中，厚度大概为5cm，加入3龄及以上黑水虻幼虫25g，在30℃、湿度70％左右环境中培养9天。培养完成后进行筛分分离，得到黑水虻幼虫95g和料渣(优质有机肥)320g。
实施例3
取300g经机械磨碎的水稻秸秆颗粒(粉末)，将其与700g豆粕混匀备用。用淀粉或红糖等营养物质将0.2g复合菌剂活化，接着将活化后的复合菌剂加入到秸秆-豆粕混合物料中，此时的初始C/N比为34:1，再加水调节物料的含水量至65％，然后盖好保鲜膜在65℃发酵8天。发酵过程中每隔一天打开一次保鲜膜，并少许翻动物料增加氧气。发酵完成后，补水至物料含水量为75％，然后将物料平铺于黑水虻养殖盒中，厚度大概为5cm，加入3龄及以上黑水虻幼虫30g，在29℃、湿度70％左右环境中培养9天。培养完成后进行筛分分离，得到黑水虻幼虫130g和料渣(优质有机肥)630g。
实施例4
取经机械磨碎的水稻秸秆0.5吨，与机械混匀的餐厨垃圾(已去除塑料、陶瓷等难降解物质，含水量大概90％)0.5吨混合均匀，将混合物倒入水泥池中。用淀粉或红糖等营养物质将200g复合菌剂活化，接着将活化后的复合菌剂倒入水泥池中拌匀，再补充少量尿素使初始C/N比大概为35:1。适当加水调节混合物的含水量为65％。然后盖好保鲜膜，注意保温，在65℃发酵8天。发酵过程中定期打开保鲜膜，充分翻动物料增加氧气。发酵完成后，补水至物料含水量为75％，然后将物料平铺于黑水虻养殖盒中，厚度大概为6cm，加入3龄及以上黑水虻幼虫16.5kg，在29℃、湿度70％左右环境中培养9天。培养完成后进行筛分分离，得到黑水虻幼虫650kg和料渣(优质有机肥)210kg。
Claims (9)
1.一种基于黑水虻协同微生物降解农作物秸秆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)收集农作物秸秆并进行预处理得到秸秆颗粒，将秸秆颗粒与微生物菌剂混合均匀，调节体系至适宜的发酵条件进行发酵；
(b)发酵完成后调节混合物料体系至适宜培养条件，引入黑水虻幼虫进行培养；
(c)培养完成后分离得到黑水虻和料渣。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述农作物秸秆选自水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、棉花秸秆中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预处理包括机械破碎、微波处理、曝气处理、氨水浸泡处理中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微生物菌剂为复合菌剂，其组成包括芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌，微生物菌剂使用前需用营养物质进行活化。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述微生物菌剂由芽孢杆菌、酵母菌、放线菌、木霉菌按照30:10:25:35的重量份数比混合而成。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：发酵前还需要加水调节物料的含水量至50％-65％，再加入尿素或豆粕等有机物调节物料的初始碳氮比至30-90:1，所得培养基与微生物菌剂的重量比为3000-6000:1。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：发酵温度控制在60-75℃，发酵时间为7-30天，发酵环境为潮湿、有氧环境，发酵期间需要定期翻动物料。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：发酵完成后加水调节物料的含水量至60％-80％，然后将其铺平，厚度控制在3-8cm，接着按照(30-50):1的质量比向物料中引入3龄及以上的黑水虻，在25-35℃、湿度60％-80％的环境中培养6-12天。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：培养完成后筛分得到黑水虻和料渣，所述黑水虻用于提取蛋白或油脂，所述料渣直接作为有机肥用于花卉等植物的栽培。
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