CN113956081B - 利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法及其产物应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法及其产物应用，所述方法包括蝇种选育及驯化、蚕沙废弃物预处理、生物转化处理、处理后产物分离及应用。与现有技术相比，本发明具有以下优势：(1)所述方法通过对蚕沙废弃物预处理调节其含水率，从而保证蝇蛆在基质内的正常生长及功能发挥；(2)所述方法有效地处理了蚕桑行业产生的蚕沙副产物资源，得到的蚕沙符合国标有机肥的规定，能够实现废弃蚕沙高效循环利用，变废为宝；(3)所述方法利用蝇蛆规模化高效转化蚕沙废弃物，处理周期短，远小于添加微生物菌剂堆肥的16天和传统堆肥的30天，转化效率高，零污染，处理彻底，而且产业链长，经济、社会和生态效益显著。
Description
技术领域
本发明属于生物废弃物处理技术领域，涉及一种无害化、规模化处理方法，具体为利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法及其产物应用。
背景技术
蚕桑生产带来显著经济效益的同时，也产生了大量蚕桑副产物资源，其中最常见的就是蚕沙(蚕排出的粪便和食剩的残桑)。数据显示：平均每生产1t蚕茧会产生蚕沙3.3t，这意味着我国每年约产生300万t蚕沙。近年来，随着我国养蚕集约化程度逐步提高，蚕沙产量也日益增高。然而，长期以来，由于缺乏有效的管理和处理利用技术，蚕沙利用率较低，除极少部分被用来提取叶绿素、蛋白质和果胶等外，大部分蚕沙被直接丢弃或堆沤用作有机肥，对环境造成了严重的污染。
病蚕蚕沙带有多种病原，如中肠型脓病多角体、微粒子孢子和卒倒菌等，是蚕病的主要传染源。蚕沙若处理不当，会对养蚕活动带来严重影响，导致蚕病爆发时有发生，使养蚕生产陷入“一季发病，季季发病”的恶性循环中，严重影响了蚕茧的质量和产量。同时，处理不当的蚕沙废弃物常携带蚕药等污染物，这些污染物会随蚕沙废弃物进入环境，污染水资源，产生恶臭，对动物和人类健康构成巨大威胁。目前蚕沙规模化无害化处理方法主要是传统堆肥，堆肥化是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成腐熟肥料的过程。其本质是微生物在好氧或厌氧条件下将固体有机物分解成相对稳定的类腐殖质物质的过程，同时实现微生物自身的增殖。堆肥化分为好氧堆肥和厌氧堆肥，好氧堆肥又称高温堆肥，具有有机物分解充分和无害化效果明显等特点。但由于蚕沙富含蛋白质和大量难降解的蚕沙纤维素，致使传统蚕沙堆肥处理方法均存在发酵时间长、有臭味产生、肥效低等问题，严重影响了蚕沙废弃物的资源化。
蝇蛆在处理有机废弃物过程中，可通过咀嚼和蠕动等行为对废弃物基质起到翻转、生物通气和嚼碎等物理作用。此外，蝇蛆属于杂食性昆虫，其内脏和唾液腺也能对废弃物起到生化降解的作用，蝇蛆体内具有丰富的酶结构，包括淀粉酶、蛋白酶、胰蛋白酶和酯酶等，不仅能降解有机废弃物基质中的脂肪、碳水化合物和蛋白等组份，还可以储存脂肪，并将其还原降解为含氮化合物。因此，恶臭、高粘度的畜禽粪便等农业废弃物通过蝇蛆的处理后，可转化为气味轻和结构松散的堆肥产物，堆肥产物作为有机肥料还田可带来额外经济效益。收获的蝇蛆虫体蛋白是蛋氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸等必需氨基酸的有效来源，富含50％以上的粗蛋白，可以替代部分动物蛋白饲料实现资源再利用。因此，利用蝇蛆在动物和农业废弃物资源化、无害化处理应用方面，具有处理周期短、除臭性强、资源化效率高等显著优势。利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物来开发高附加值的蚕沙有机肥，不仅能有效拓宽有机肥的原料渠道，收获丰富蝇蛆虫体蛋白，而且能够实现废弃蚕沙高效循环利用，变废为宝。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，获得高效规模化处理蚕沙废弃物的方法，在消除蚕沙废弃物污染的同时获得农用有机肥料和畜禽养殖饲料，鉴于此，本发明提供了利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法及其产物应用。
技术方案：利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、将购买于江苏省镇江市句容生态农场，经鉴定为家蝇(Musca domesticaLnnaeus)的蝇种进行清洁饲养驯化培育，在蚕沙麦麸基质内自然传代5代以上后保种，从而筛选出在密集饲养环境下具有稳定繁殖特性的蝇种；
S2、将S1筛选出的蝇种进行羽化、成蝇饲养、蝇卵收集及幼虫孵化，获得20时龄期蝇蛆幼虫；
S3、将收集的蚕沙废弃物进行预处理，控制其含水量为60-65％、碳氮比为30-35:1；
S4、将S2获得的蝇蛆幼虫和S3预处理后的蚕沙转移至生物转化池中，进行蚕沙废弃物的生物转化处理；
S5、分离S4生物转化处理后的产物和蝇蛆幼虫，将产物直接用作农用有机肥，蝇蛆幼虫作为虫体蛋白经处理后用作养殖饲料。
优选的，S1中驯化培育的条件为：成蝇饲料为奶粉和白砂糖按质量比1:1混合、投喂量为50-80g/万只，蚕沙麦麸基质为麦麸和蚕沙按质量比1:1-1:3混合，温度为20-30℃，相对湿度为70％±10％。
优选的，S2的饲养方式为大规模笼养，且在笼内放置集卵盘；其中，羽化的环境温度为 25℃±5℃、相对湿度在60％±10％；羽化12-16h后成蝇饲养，每12-16h更换一次饲料和水；成蝇完全羽化后的3天内，每12-14h更换一次集卵盘；将收集到的集卵盘转移至孵化室，温度27℃，湿度65％条件下孵化20小时得到20时龄期蝇蛆幼虫。
优选的，S3中采用麦麸、谷壳、草粉、碎木屑玉米粉鸡粪或猪粪来调整蚕沙的碳氮比，采用纤维素降解菌发酵液原液或自来水来调整含水量，其中麦麸与蚕沙废弃物的质量比为 1:1-1:4，谷壳与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:3、草粉与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:5、碎木屑与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:4、玉米粉与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:5、鸡粪与蚕沙废弃物的质量比为2:1-1:5、猪粪与蚕沙废弃物的质量比为2:1-1:5。
进一步的，麦麸与蚕沙废弃物的质量比为1:2。
优选的，S4中转化池内S3预处理后的蚕沙铺设高度小于6cm，预处理后的蚕沙与幼虫质量比为500:1-1000:1，且幼虫均匀铺设在蚕沙表面，铺设完成后保持室内温度25℃-30℃、湿度60％±15％，光照强度7000Lx，光照时间为每天16小时，静置3-5天后即完成生物转化处理。生物转化处理是在搭建好的生物转化房内进行，所述生物转化房内备有多个3m×2m×30cm的生物转化池，可同时进行多批次蚕沙废弃物蝇蛆生物转化处理。
进一步的，静置48小时后每日搅拌蚕沙两次，搅拌时间分别在上午9-10点和下午5-6 点。蝇蛆处理第1天，蚕沙废弃物气味明显减轻；第2天和第3天，蝇蛆快速生长，通过蝇蛆不断活动，加速了蚕沙基质温度提升，进而增加了蚕沙基质微生物的活跃度，使得蝇蛆能快速吸收蚕沙废弃物中的营养物质，并不断生长发育；第4天，蚕沙废弃物在蝇蛆的活动下变得蓬松，水分减少，颜色变浅；第5天，蚕沙呈干燥疏松状，减量化明显，蚕沙异味消失。可直接进行蝇蛆幼虫和蚕沙基质的分离。蝇种的选择及留种：在每批次处理的第四天挑选行动活跃、体型较大的蝇蛆幼虫留种，转移至麦麸中化蛹成蝇。
优选的，S5中分离生物转化处理后的产物和蝇蛆幼虫的具体方法为：将处理后带有蝇蛆的蚕沙均匀铺在4-7mm孔径的筛网上，铺设厚度为5-8mm，筛网下方垫一层土工布，筛网上方采用1500-2000Lx的高强度白炽灯照射20-30min，然后手动将蚕沙中剩余的蝇蛆筛除并放置在土工布上，其中收集的蚕沙作为干肥；将装有蝇蛆的土工布转移至清洗池上，采用流水喷淋冲土工布上带有干蚕沙的蝇蛆3-6min，收集流出的粪水作为水肥；收集土工布上的蝇蛆风干并加工成昆虫蛋白，清洗土工布并将清洗后的水汇入水肥中。
优选的，经生物转化处理后的产物其含水率低于30％，氮磷钾等营养元素含量高于6％，有机质含量高于50％，蛔虫卵死亡率高于96％。
优选的，经生物转化处理后的蝇蛆幼虫，加工成昆虫蛋白后粗蛋白含量为59％-65％、粗脂肪为2.6％-17％，其必须氨基酸含量、蛋氨酸含量和赖氨酸含量分别是鱼粉的2.3、2.7和 2.6倍，其中必须氨基酸总量达43.3％。
收集的未经处理的干蚕沙，其干蚕沙粗蛋白含量为15.4％，粗脂肪含量为3.88％，无氮浸出物含量为36.2％，纤维素含量也高达19.6％，是一种理想的有机肥，同时也是一种理想的饲养家蝇的原材料。本发明利用蝇蛆规模化生物转化蚕沙能够高效全面的处理蚕沙，蝇蛆通过对蚕沙不停的翻堆搅拌，不但能提高蚕沙基质的温度，同时能够改变基质的pH值，使得蚕沙基质中微生物活跃度显著提高，加快蚕沙的腐熟，同时蝇蛆本身的生长发育需要快速的吸收蚕沙废弃物中的水分、氮、磷、钾、硫和钙等营养元素，有效地将蚕沙废弃物中的营养物质转化为生物有机质(蝇蛆蛋白等)，防止了蚕沙自然堆肥腐熟过程中产生的污水、氨气、硫化氢和吲哚等有毒有害气体以及细菌真菌对环境的污染。本发明经蝇蛆处理后的蚕沙呈咖啡色，气味有桑叶的清香，肥沃又疏松，手感轻盈。经检测，其水含量低于30％，氮磷钾等营养元素含量高于6％，有机质含量高于50％，蛔虫卵死亡率高于96％。检测结果表明经蝇蛆处理后的蚕沙符合NY 884-2012的规定。收集的蝇蛆可用来加工成昆虫蛋白，研究表明，蝇蛆粗蛋白含量为59％-65％、粗脂肪为2.6％-17％，其必须氨基酸含量、蛋氨酸含量和赖氨酸含量分别是鱼粉的2.3、2.7和2.6倍，其中必须氨基酸总量达43.3％，超过世界粮食与农业组织/世界卫生组织提出的参考值(40％)。上述利用家蝇蝇蛆高效规模化处理蚕沙的方法不但可用于生产农业有机肥，还可以用于生产蝇蛆昆虫蛋白。
有益效果：(1)本发明所述方法通过对蚕沙废弃物预处理调节其含水率，从而保证蝇蛆在基质内的正常生长及功能发挥；(2)所述方法有效地处理了蚕桑行业产生的蚕沙副产物资源，解决了过去蚕沙随意丢弃造成的蚕病爆发、资源浪费和污染环境等缺点，得到的蚕沙符合国标有机肥的规定，同时还能收获大量的虫体蛋白，不仅拓宽了有机肥的原料渠道，还收获了丰富的蝇蛆虫体蛋白，能够实现废弃蚕沙高效循环利用，变废为宝；(3)所述方法利用蝇蛆规模化高效转化蚕沙废弃物，处理周期短，远小于添加微生物菌剂堆肥的16天和传统堆肥的30天(蚕沙纤维素含量高，难降解)，转化效率高，零污染，处理彻底，而且产业链长，经济、社会和生态效益显著。
附图说明
图1是蝇蛆规模化生物转化蚕沙体系蚕沙麦麸蚕沙最佳配比筛选结果图；
图2是蝇蛆生物转化后蚕沙前后对比图，其中A为处理前蚕沙性状，B为处理后蚕沙性状；
图3是蝇蛆生物转化蚕沙过程中基质温度和pH变化规律图，其中左图为基质温度变化规律，右图为基质pH变化规律。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1：高效规模化家蝇蝇种培育方法
蝇种的采集和清洁饲养驯化：采集当地野生家蝇，经生物学鉴定后，置于 80cm×40cm×40cm不锈钢清洁大网笼中，成蝇饲料为奶粉和白砂糖粉1：1的混合物，幼虫以麦麸和蚕沙1：2的混合物养殖，控制室温在20℃-30℃，相对湿度在70％±10％，光照节律以当地环境为准，麦麸集卵物的湿度在65％左右，第五日收集体重较大，活跃度较高的3 龄幼虫于含水20％的麦麸中化蛹，之后挑选个头较大的蝇蛹置于清洁饲养大网笼中羽化成蝇，用奶粉和白砂糖粉混合物饲养产卵，进入下一个清洁饲养周期；自然传代5代后保种，使其在密集饲养环境下具有稳定的繁殖特性。
表1麦麸蚕沙混合基质不同配比对蝇蛆生长影响研究
注：同列数据标注不同小写字母表示显著性差异(P＜0.05)
本实施例中，蝇蛆幼虫培养基质为麦麸和蚕沙的混合培养物，配置不同配比的麦麸和蚕沙混合物来饲养蝇蛆，根据蝇蛆生长发育情况来筛选最适麦麸和蚕沙配比(质量比)，共设置四组配比，分别为麦麸：蚕沙＝1：1，1：2，1：3，1：4。控制基质总质量均为500g，每组基质投放500只蝇蛆一龄幼虫(孵化24小时)，培养容器为2400mL的塑料方盒 (25cm×15cm×6cm)，之后通过测量不同组别幼虫发育时间，生存率及最终新鲜幼虫质量和干燥幼虫质量来评价麦麸与蚕沙混合基质较优混配比例。
由表1可知，蚕沙麦麸1：3配比时蝇蛆发育时间最短，且1：1，1：2和1：3组生存率、最终新鲜幼虫质量及干燥幼虫质量均较高，相互之间无显著性差异，说明这三组蝇蛆生长性能较好，均可较好满足蝇蛆生长发育所需的营养物质。而当麦麸蚕沙配比为1：4时，蝇蛆生长时间，生存率及幼虫鲜重和干重均显著低于其他三组，说明蚕沙比例过高会显著影响蝇蛆生长发育及生物转化。综上麦麸与蚕沙1：1到1：3混配范围内，蝇蛆均能较好的生长发育。
实施例2：高效规模化蝇蛆生物转化蚕沙降解纤维素体系
本实施例是一种利用蝇蛆进行蚕沙无害化处理方法，加速蚕沙纤维素的降解，针对大型的蚕桑养殖基地，首先对其硬件设施进行规划。本实施例中的，蚕沙废弃物收集后经预处理可直接用于蝇蛆生物转化，通过预处理将蚕沙基质湿度控制在60％±10％之间。
由于蚕沙富含纤维素，纤维素降解率是影响蝇蛆生物转化效率的主要因素，因此，需筛选最佳配比(质量比)蚕沙麦麸混合基质，确定出既适合蝇蛆生长发育又能高效降解蚕沙纤维素的最优配比。共筛选蚕沙麦麸配比五个，从蚕沙：麦麸＝1：1，2：1，3：1，4：1，1：0 逐渐增加蚕沙的比例。不同配比下纤维素降解情况如图1所示，由图可知蚕沙麦麸比为2：1 时生物转化体系中蚕沙纤维素降解率最高，显著高于其他配比，而实施例1中已经证实蚕沙麦麸比为3：1，2：1和1：1时，蝇蛆生长发育均较好。综上可知，选择蚕沙：麦麸＝2：1 为最适混配比例。
将最佳配比的蚕沙麦麸混合基质放入蝇蛆生物转化池(3m×2m×30cm)内，保持蚕沙基质的厚度不超过6厘米，在其表面均匀接入通过实施例1所述方法培养家蝇得到的蝇卵，每1000克蚕沙基质接入2克20时龄蝇蛆幼虫，温度控制在25℃±5℃，空气相对湿度保持在70％±10％，光照强度7000Lx，光照时间16小时。每个批次每池可处理1t蚕沙。
接入蝇蛆幼虫二天后，每日充分搅拌蚕沙基质和蝇蛆两次，分别在上午的9点和下午5 点两个时间点。接入蝇蛆幼虫3至4天后完成一轮生物转化处理，之后即可分离蝇蛆与蚕沙基质。
由图2可知，经蝇蛆处理后的蚕沙呈深黑色，既无臭味也不招苍蝇，肥沃疏松，手感轻盈。由图3可知，蝇蛆生物转化蚕沙过程中还能显著影响基质的温度和pH，而温度和pH的改变使得基质环境更适宜多种微生物的生长繁殖，从而加速基质的腐熟。经检验，其含水量低于30％，氮磷钾含量高于6％，有机质含量高于50％，重金属含量均在合格范围内，蛔虫卵死亡率高于96％。检验结果表明处理后的蚕沙基质符合NY 884-2012的规定，可作为农用有机肥。
实施例3：蝇蛆蛋白饲料对肉鸡生长性能的影响
将实施例2中处理4天后的蝇蛆进行虫粪分离，分离得到的蝇蛆幼虫用清水冲洗三遍，滤干后-20℃保存备用。
蝇蛆粉的制备：将保存在-20℃的蝇蛆解冻，采用50℃低温干燥24h，干燥后的蝇蛆用匀浆机打碎，过40目筛，密封，保存在-20℃备用。
营养成分测定：蝇蛆营养组分测定结果如图3所示，参照刘兴友和刁有祥(1995)的方法进行。水分测定：干燥失重法；蛋白质测定：KJ1030凯式自动定氮仪；脂肪测定：索氏提取法；灰分测定：马福尔炉灰化法。
表2蝇蛆粉基本营养成分组成
蝇蛆蛋白饲料对肉鸡生长性能的影响：将24只日龄相同，生长性能相近的肉鸡，随机分为2组，一组12只，公母各半，对照组饲喂基础饲粮，试验组饲料中添加5％的蝇蛆蛋白作为改良饲料。连续饲喂90天，试验结束后停喂24h，分别称各组肉鸡的终末体重，计算初生质量、末体质量、平均日增质量、平均日耗料、料重比和存活率。结果如表3所示，由表可知，添加蝇蛆蛋白粉可以明显提高肉鸡的生产性能,降低生产成本并加快肉鸡的生长速度,降低料肉比。
表3新型蝇蛆蛋白饲料对肉鸡生长性能的影响
注：同行数据标注不同小写字母表示显著性差异(P＜0.05)。
Claims (7)
1.利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、将家蝇进行清洁饲养驯化培育，在蚕沙麦麸基质内自然传代5代以上后保种，从而筛选出在密集饲养环境下具有稳定繁殖特性的蝇种；
S2、将S1筛选出的蝇种进行羽化、成蝇饲养、蝇卵收集及幼虫孵化，获得20时龄期蝇蛆幼虫；
S3、将收集的蚕沙废弃物进行预处理，控制其含水量为60-65%、碳氮比为20-35:1；
S4、将S2获得的蝇蛆幼虫和S3预处理后的蚕沙转移至生物转化池中，进行蚕沙废弃物的生物转化处理；
S5、分离S4生物转化处理后的产物和蝇蛆幼虫，将产物直接用作农用有机肥，蝇蛆幼虫作为虫体蛋白经处理后用作养殖饲料；
其中，S1中驯化培育的条件为：成蝇饲料为奶粉和白砂糖按质量比1:1混合、投喂量为50-80g/万只，蚕沙麦麸基质为麦麸和蚕沙按质量比1:1-1:3混合，温度为20-30℃，相对湿度为70% ± 10%；
S3中采用麦麸、谷壳、草粉、碎木屑、玉米粉、鸡粪和猪粪来调整蚕沙的碳氮比，采用纤维素降解菌发酵液原液来调整含水量，其中麦麸与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:4，谷壳与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:3、草粉与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:5、碎木屑与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:4、玉米粉与蚕沙废弃物的质量比为1:1-1:5、鸡粪与蚕沙废弃物的质量比为2:1-1:5、猪粪与蚕沙废弃物的质量比为2:1-1:5；
S5中分离生物转化处理后的产物和蝇蛆幼虫的具体方法为：将处理后带有蝇蛆的蚕沙均匀铺在4-7 mm孔径的筛网上，铺设厚度为5-8 mm，筛网下方垫一层土工布，筛网上方采用1500-2000 Lx高强度白炽灯照射20-30min，然后手动将蚕沙中剩余的蝇蛆筛除并放置在土工布上，其中收集的蚕沙作为干肥；将装有蝇蛆的土工布转移至清洗池上，采用流水喷淋冲土工布上带有干蚕沙的蝇蛆3-6min，收集流出的粪水作为水肥；收集土工布上的蝇蛆风干并加工成昆虫蛋白，清洗土工布并将清洗后的水汇入水肥中。
2.根据权利要求1所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，S2的饲养方式为大规模笼养，且在笼内放置集卵盘；其中，羽化的环境温度为25℃±5℃、相对湿度在60 %±10 %；羽化12-16h后成蝇饲养，每12-16h更换一次饲料和水；成蝇完全羽化后的3天内，每12-14h更换一次集卵盘；将收集到的集卵盘转移至孵化室，温度27℃，湿度65 %条件下孵化20小时得到20时龄期蝇蛆幼虫。
3.根据权利要求1所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，麦麸与蚕沙废弃物的质量比为1:2。
4.根据权利要求1所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，S4中转化池内S3预处理后的蚕沙铺设高度小于6cm，预处理后的蚕沙与幼虫质量比为500:1-1000:1，且幼虫均匀铺设在蚕沙表面，铺设完成后保持室内温度25℃-30℃、湿度60%±15 %，光照强度7000 Lx，光照时间为每天16小时，静置3-5天后即完成生物转化处理。
5.根据权利要求4所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，静置48小时后每日搅拌蚕沙两次，搅拌时间分别在上午9-10点和下午5-6点。
6.根据权利要求1所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，经生物转化处理后的产物其含水率低于30%，氮磷钾等营养元素含量高于6%，有机质含量高于50 %，蛔虫卵死亡率高于96 %。
7.根据权利要求1所述的利用蝇蛆生物转化蚕沙废弃物的方法，其特征在于，经生物转化处理后的蝇蛆幼虫，加工成昆虫蛋白后粗蛋白含量为59 %-65 %、粗脂肪为2.6 %-17 %，其必须氨基酸含量、蛋氨酸含量和赖氨酸含量分别是鱼粉的2.3、2.7和2.6倍，其中必须氨基酸总量达43.3 %。
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