腐熟雞糞養(yǎng)殖蚯蚓可行性及潛在問題

冉學(xué)文，李 寧，熊曉莉 (重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067)

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織將集約化畜禽養(yǎng)殖列為世界三大環(huán)境污染源之一[1]。按照1只蛋雞年排糞45 kg計(jì)算，我國年產(chǎn)鮮雞糞1.4億t左右[2]。雞糞中大量的氮、病菌、重金屬、獸藥抗生素等物質(zhì)直接進(jìn)入環(huán)境后，會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。雞糞潛在的高污染風(fēng)險(xiǎn)是由于雞的腸道較短，飼料消化不完全，能量利用率低導(dǎo)致的。目前雞糞資源化利用的主要方式為能源化、肥料化、飼料化[3-4]。雞糞能源化需要額外設(shè)備投入，成本高，適合大型養(yǎng)殖場，而肥料化雖然是各國普遍采用的技術(shù)，但缺乏有關(guān)定量使用標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其利用率不高。雞糞飼料化是一種理想的處理方法，可用于養(yǎng)殖豬、牛、羊、魚類和黃粉蟲，但因飼料化后可能導(dǎo)致適口性差、能量低、有害物質(zhì)超標(biāo)等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[4-6]。針對現(xiàn)階段雞糞資源化存在的一些問題，人們提出雞糞養(yǎng)殖蚯蚓的想法。除了能處理雞糞，蚯蚓還可用于制藥、飼料、化妝品，蚓糞也是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料[7-8]。目前雞糞養(yǎng)殖蚯蚓的研究集中在蚯蚓生長繁殖方面，忽略了推廣到實(shí)際生產(chǎn)時(shí)面臨的一系列潛在問題，如蚯蚓對雞糞生長基料的適應(yīng)性、重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)、雞糞殘留抗生素的危害等。

筆者采用不同C/N比發(fā)酵雞糞飼喂蚯蚓，考察蚯蚓生長情況，分析蚯蚓和雞糞中重金屬含量變化，探究獸藥抗生素對蚯蚓的毒性，探討了養(yǎng)殖產(chǎn)物利用的安全性，旨在探索腐熟雞糞養(yǎng)殖蚯蚓的可行性，為實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

表1 試驗(yàn)材料性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1雞糞發(fā)酵與蚯蚓飼喂試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。A、B、C 3組各100 kg純雞糞，參考有關(guān)雞糞發(fā)酵研究，加鋸末調(diào)節(jié)C/N比至20、25、30，初始含水率均為60%[9]。添加發(fā)酵菌劑混勻后堆積發(fā)酵，用木棒在堆體表面扎孔，促進(jìn)空氣流通，達(dá)到最高溫度后，每降低10 ℃翻堆1次，直至溫度不再上升。

表2 雞糞發(fā)酵和飼喂試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取發(fā)酵后的雞糞(A、B、C)、未經(jīng)處理純雞糞(D)、鋸末(E)各1 kg(干重)，鋪撒于塑料盒中(長×寬×高為18 cm×27 cm×14 cm)，以花園泥土(F)作為對照，每組重復(fù)3次。每組投放100條蚯蚓，每條(500±50) mg，于恒溫培養(yǎng)箱中飼喂，溫度為(25±1) ℃，培養(yǎng)箱濕度為80%，每天加適量去離子水，保持基料含水率為60%～70%，[光]照度為400～800 lx。7 d測定1次存活率和體重增長率，共21 d。

1.2.2蚯蚓適應(yīng)性研究處理設(shè)計(jì)

適應(yīng)性是指生物體與環(huán)境表現(xiàn)相適合的現(xiàn)象，該研究中適應(yīng)性決定了蚯蚓能否處理雞糞。當(dāng)蚯蚓對生長環(huán)境表現(xiàn)出不適應(yīng)性時(shí)，會出現(xiàn)蚯蚓掙扎、逃逸的現(xiàn)象。剛投加時(shí)，根據(jù)蚯蚓的表現(xiàn)對適應(yīng)性進(jìn)行分級：不逃逸，鉆入基料(Ⅰ)；掙扎，有逃逸傾向(Ⅱ)；大量逃逸(Ⅲ)。蚯蚓對不適環(huán)境也表現(xiàn)出一定的耐受性，超過極限蚯蚓就會死亡。為防止飼喂過程中蚯蚓逃逸，影響試驗(yàn)結(jié)果，利用蚯蚓的趨光性，對試驗(yàn)組設(shè)置光照。蚯蚓長期處于不適條件下，會表現(xiàn)出活力降低、對外部刺激反應(yīng)減弱的現(xiàn)象，根據(jù)蚯蚓活躍程度和針刺反應(yīng)的表現(xiàn)對適應(yīng)性分級。活躍程度：非?；钴S(Ⅰ)、活躍(Ⅱ)、不活躍(Ⅲ)；針刺反應(yīng)表現(xiàn)：劇烈反應(yīng)(Ⅰ)、輕微反應(yīng)(Ⅱ)、無反應(yīng)(Ⅲ)。級數(shù)越高，適應(yīng)性越差。

1.2.3雞糞性質(zhì)測定

(1)氣味與外觀

氣味，按國際通行六級評價(jià)法進(jìn)行氣味測試和評價(jià)，數(shù)值越大，氣味越刺鼻[10]；外觀，肉眼觀察發(fā)酵前后樣品的顏色。

(2)發(fā)芽指數(shù)(GI值)

取5.0 g樣品(干重)加入100 mL去離子水浸提1 h，移取10 mL上清液于墊有濾紙的直徑9 cm培養(yǎng)皿中，取20粒綠豆種子在(20±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)96 h，測定種子發(fā)芽率(G)和根長(l)，以10 mL去離子水作對照，GI值(IG)計(jì)算公式[11]為

(1)

式(1)中，G為浸提液發(fā)芽率，%；G0為對照組發(fā)芽率，%；l為根長，mm。

(3)理化性質(zhì)

腐殖酸(HAC)含量按GB/T 34766—2017《礦物源總腐殖酸含量的測定》測定；含水率采用烘干法進(jìn)行測定；用SIN-pH100型電導(dǎo)率筆(深圳)檢測pH值和電導(dǎo)率(EC)，按前文中方法浸提1 h后，參照SCIUBBA等[12]的方法測定；NH4+-N含量測定采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法[13]；NO3--N含量測定參考NY/T 1116—2014《肥料硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮含量的測定》中的方法；有機(jī)質(zhì)含量按GB 18877—2009《有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料》進(jìn)行測定后換算成有機(jī)碳含量。樣品經(jīng)海能SH420F型石墨消解爐(濟(jì)南)消解后用海能K1100F型全自動(dòng)凱氏定氮儀(濟(jì)南)測定總氮含量；C/N比則根據(jù)有機(jī)碳含量與總氮含量計(jì)算比值。

1.2.4重金屬測定

根據(jù)1.2.1和1.2.2節(jié)試驗(yàn)結(jié)果，取最適宜蚯蚓生長的腐熟前后雞糞和飼喂前后蚯蚓樣品冷凍后，于烘箱中120 ℃干燥24 h(雞糞干重減少31.38%，蚯蚓含水率w為49.10%)，取出研磨成粉，稱取1.000 g于聚四氟乙烯坩堝中，加王水和HClO4消解完全，加體積比1∶1的去離子水和王水，移至50 mL容量瓶，經(jīng)0.45 μm孔徑濾膜過濾，用Spectro Genesis型ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(德國)檢測Cr、Cd、Pb、Hg、As含量[14]。

富集系數(shù)(EF，F(xiàn)E)可用來描述蚯蚓對雞糞中重金屬的富集程度，計(jì)算公式[15]為

FE=C/C0。

(2)

式(2)中，C為蚯蚓中某重金屬含量，mg·kg-1；C0為雞糞中某重金屬含量，mg·kg-1。

1.2.5抗生素對蚯蚓的急性毒性試驗(yàn)

1.2.6蚯蚓生長數(shù)據(jù)測定

蚯蚓的平均存活率(S)計(jì)算公式為

(3)

式(3)中，n為蚯蚓存活條數(shù)；n0為蚯蚓初始條數(shù)。

蚯蚓的平均增長率(I)計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，m為蚯蚓測試時(shí)質(zhì)量，g；m0為蚯蚓初始總質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度變化

雞糞發(fā)酵過程中，微生物利用有機(jī)物生長、繁殖并釋放出熱量。由圖1可知，3組試驗(yàn)都經(jīng)升溫、高溫、降溫3個(gè)階段。升溫階段，微生物呈指數(shù)型增長，新陳代謝加快，產(chǎn)生的熱量一部分用于升溫，另一部分被環(huán)境損耗。C/N比為20、25和30的3組試驗(yàn)均在第3天達(dá)到50 ℃，最高溫度分別為55、59、63℃，50 ℃以上高溫持續(xù)時(shí)間分別為4、5、7 d。隨著有機(jī)物分解，微生物能利用的物質(zhì)減少，第11天開始溫度逐漸降低進(jìn)入后腐熟階段。每次翻堆后，表面未被利用的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入堆體內(nèi)部，原本坍縮的中心空氣流通性增加，微生物代謝增強(qiáng)，所以溫度會再次上升。C/N比高的試驗(yàn)組加入的鋸末多，雞糞間的空隙大，空氣易進(jìn)入發(fā)酵堆體中心，好氧微生物代謝快，產(chǎn)生熱量多，高溫持續(xù)時(shí)間長；C/N比低的試驗(yàn)組加入鋸末量少，雞糞間空隙小，空氣進(jìn)入發(fā)酵堆體中心少，微生物增長較慢，產(chǎn)熱少，高溫持續(xù)時(shí)間短。C/N比為30的試驗(yàn)組發(fā)酵溫度維持在50 ℃以上的時(shí)間為7 d，滿足無害化處理規(guī)范[16]。

圖1 發(fā)酵溫度變化

2.2 腐熟后雞糞性質(zhì)

雞糞發(fā)酵后的性質(zhì)見表3。C組氣味分值最低，刺激氣味最小，A組氣味最明顯。發(fā)酵雞糞的味道主要是NH3所致，其產(chǎn)生與雞糞中NH4+-N濃度有關(guān)。有研究者指出，腐熟時(shí)NH4+-N含量應(yīng)該低于0.4 g·kg-1，A、B、C組均低于此值[17]。C組發(fā)酵后為灰褐色，B組為淺褐色，A組顏色接近鋸末，呈黃色。參考NY 525—2012《有機(jī)肥料》中規(guī)定，無明顯氣味和灰褐色表示腐熟程度較高。

微生物越活躍，產(chǎn)熱越多，水分散失也越多，因此含水率變化和溫度變化關(guān)系密切。C組高溫持續(xù)時(shí)間長，腐熟后含水率最低(31.32%)。雞糞發(fā)酵后有機(jī)質(zhì)含量仍較高，但不會自發(fā)升溫。這與加入鋸末后微生物并不能完全將其降解有關(guān)，避免了處理過程升溫導(dǎo)致蚯蚓死亡[18]。3組試驗(yàn)C/N比均表現(xiàn)為降低，有研究以初始C/N比與結(jié)束C/N比的比值小于0.6作為腐熟標(biāo)志[19]，C組滿足此要求。GI值也是判斷腐熟的重要指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中GI值達(dá)到80%～85%表明堆肥腐熟[20]。由表3可知，3組試驗(yàn)GI值分別為90.21%、100.32%、130.43%，僅從GI值判斷，3組試驗(yàn)腐熟度都較高。目前暫無判斷腐熟度的pH值具體規(guī)定，參考NY 525—2012，pH值應(yīng)在5.5～8.5范圍內(nèi)，B、C試驗(yàn)組pH值在此范圍內(nèi)。EC值低于1.5 mS·cm-1可認(rèn)為達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)，3組試驗(yàn)均滿足此條件[14]。腐殖酸是腐殖質(zhì)的一部分，此成分含量高可以從一定程度上反映腐殖化程度較高[21]。

表3 雞糞發(fā)酵后的性質(zhì)

判斷腐熟度的指標(biāo)較多，滿足判斷條件的指數(shù)越多腐熟度也就越高。綜合以上分析，C組符合腐熟判斷的指標(biāo)最多，A組最少?？梢猿醪脚袛?組試驗(yàn)的腐熟程度為A

2.3 蚯蚓處理雞糞

2.3.1蚯蚓的適應(yīng)性

蚯蚓的適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，級別越低，蚯蚓的適應(yīng)性越強(qiáng)。剛投放時(shí)，蚯蚓對C、E、F組適應(yīng)性較強(qiáng)，鉆入基料中。A、B、D組蚯蚓有逃逸現(xiàn)象，表現(xiàn)出不適性。其中D組蚯蚓劇烈掙扎，所有蚯蚓均逃逸，在恒溫培養(yǎng)箱中飼喂時(shí)，無法利用趨光性阻止D組蚯蚓逃逸，且剩余蚯蚓死亡。據(jù)此分析，純雞糞無法直接飼喂蚯蚓。第7天，C組雞糞中的蚯蚓在基料淺層采食，活躍程度、針刺反應(yīng)表現(xiàn)出的適應(yīng)性最強(qiáng)。A組蚯蚓極不活躍，在盒底部停留。相較于其余組，蚯蚓對A、B組的不適性導(dǎo)致其對針刺的反應(yīng)較弱。第14和21天，各組蚯蚓表現(xiàn)相似，E、F組對針刺反應(yīng)的表現(xiàn)與C組相似，但活躍程度比C組低，可能是鋸末(E)和花園泥土(F)無法提供營養(yǎng)所致。

表4 蚯蚓的適應(yīng)性

蚯蚓適宜生長在溫度5～35 ℃、濕度60%～80%、pH值為5～9的環(huán)境中[15,22]。B、C都滿足此條件，但蚯蚓的飼喂效果差異較大。除了物化指標(biāo)，氣味也是影響蚯蚓生存的重要因素。雞糞中主要釋放的是NH3，NH4+-N是影響NH3釋放的因素，雖然從數(shù)值上來說3組處理NH4+-N含量都在腐熟范圍內(nèi)，但是仍對蚯蚓存活有較大影響。有研究發(fā)現(xiàn)，NH4+-N含量過高會對蚯蚓生長產(chǎn)生抑制作用，腐熟雞糞NH4+-N含量為165.8 mg·kg-1，不會影響蚯蚓正常生長，具體含量上限還有待進(jìn)一步研究[23]。結(jié)合2.2節(jié)分析可知，雞糞腐熟程度越高，刺激氣味越小，蚯蚓適應(yīng)性越強(qiáng)。

2.3.2蚯蚓存活率

“大平二號”蚯蚓的生長周期為30 d，由于在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)飼喂過一定時(shí)間，所以選用21 d作為試驗(yàn)的總天數(shù)。蚯蚓存活率見圖2。

A、B、C分別表示初始C/N比為20、25、30的試驗(yàn)組； D、E、F分別表示純雞糞、鋸末、花園泥土。

到第21天，A、B 2組蚯蚓的存活率逐漸降低，其中第14天(A：28.00%，B：28.00%)和第21天(A：50.00%，B：49.33%)變化不大(P>0.05)，說明蚯蚓對惡劣環(huán)境有一定適應(yīng)性；C組存活率最高，可達(dá)99.66%，與對照組F(100.0%)差異不大(P>0.05)；D組的存活率為0，說明蚯蚓對純雞糞的耐受性最低，無法存活；E組為鋸末，主要作用是證明雞糞中添加的鋸末不是A、B組蚯蚓死亡的原因。

2.3.3蚯蚓體重增長率

蚯蚓的體重增長率如圖3所示。在第21天，A、B組存活的蚯蚓體重增長率分別為6.22%、12.32%，C組的增長率達(dá)38.04%。

A、B、C分別表示初始C/N比為20、25、30的試驗(yàn)組； D、E、F分別表示純雞糞、鋸末、花園泥土。

蚯蚓在沒有養(yǎng)分的鋸末中存活7 d時(shí)體重沒有變化，在第14和第21天體重分別下降6.01、8.23%。F組蚯蚓第7～14天體重?zé)o變化，可能是靠泥土中少量的營養(yǎng)維持生長，第21天蚯蚓體重下降5.07%。綜合前文分析，蚯蚓在腐熟度較高的雞糞中適應(yīng)性和生長狀況最好，且試驗(yàn)結(jié)束時(shí)只有C組產(chǎn)生蚓繭，楊世關(guān)等[23]的研究中也有類似現(xiàn)象。

2.4 重金屬

2.4.1蚯蚓和雞糞重金屬含量變化分析

如表5所示，將試驗(yàn)結(jié)束時(shí)蚯蚓體內(nèi)不同重金屬含量、總量與初始值進(jìn)行對比，只有As、Cd含量增加。重金屬通過攝食進(jìn)入蚯蚓體內(nèi)，為維持細(xì)胞內(nèi)金屬離子的穩(wěn)態(tài)，蚯蚓體內(nèi)形成金屬硫蛋白，與一些重金屬離子結(jié)合的同時(shí)富集在蚯蚓體內(nèi)。部分研究顯示金屬硫蛋白水平的逐漸增加與蚯蚓內(nèi)臟中的金屬積累成正比[24-27]。從富集系數(shù)大小看，該試驗(yàn)中重金屬含量Cd>Cu>As>Cr>Zn，這與黃煒等[28]的研究(Cr>Cd>Zn>Cu>As)不一致。不僅蚯蚓體重增長可影響重金屬含量變化，當(dāng)環(huán)境中重金屬含量低于蚯蚓體內(nèi)時(shí)，可能也無法促進(jìn)蚯蚓產(chǎn)生更多金屬硫蛋白。Zn、Cu在蚯蚓體內(nèi)的減少量(減少約50%)小于Cr，也能說明含量對富集系數(shù)的影響。

表5 蚯蚓飼喂前后、雞糞和蚯蚓糞中重金屬含量

雞糞中重金屬并不能被蚯蚓和微生物降解(由表5中蚯蚓和雞糞總量之和可知)，經(jīng)過蚯蚓處理后，營養(yǎng)物質(zhì)被分解，雞糞總量減少(干重減少31.38%)，重金屬總量不變，形成濃縮效應(yīng)，導(dǎo)致相對含量增加[29]。蚯蚓雖然能富集一部分重金屬，但量太少不足以影響試驗(yàn)結(jié)果。腐熟雞糞中Cd、Hg、Pb這3種重金屬含量始終低于0.1 mg·kg-1，說明雞糞中這3種物質(zhì)含量很少，經(jīng)過濃縮后變化也不大。

2.4.2重金屬對蚯蚓和蚓糞利用的影響

蚯蚓常用作蛋白補(bǔ)充飼料，根據(jù)GB 13078—2017《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，As、Pb、Hg、Cd、Cr含量在飼料中的最高限值分別為40、40、0.5、75、20 mg·kg-1。由表5可知，經(jīng)過發(fā)酵雞糞飼養(yǎng)后的蚯蚓體內(nèi)重金屬As含量超標(biāo)，蚯蚓不能直接作為飼料產(chǎn)品和單一原料加工使用。

經(jīng)過蚯蚓處理后的雞糞，如果作為有機(jī)肥商品，應(yīng)該符合NY 525—2012標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)要求As、Pb、Hg、Cd、Cr的含量必須分別低于15、2、50、3、150 mg·kg-1，如果直接還田需滿足GB/T 25246—2010《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》，As、Cu、Zn 含量必須分別低于50、800和3 400 mg·kg-1，在這2種條件下As都超標(biāo)。

根據(jù)以上分析可知，影響蚯蚓和蚯蚓糞后續(xù)使用的問題主要是As含量超標(biāo)。雞飼料中的藥物添加劑是雞糞中As的主要來源，可通過減少使用或者用其他藥物替代的方法降低雞糞中As含量。

2.5 抗生素對蚯蚓的影響

2.5.1抗生素對蚯蚓的急性毒性

目前國內(nèi)尚無獸藥對蚯蚓的急性毒性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，參考GB/T 31270.15—2014，100 mg·kg-1含量條件下蚯蚓未見死亡，試驗(yàn)則無需繼續(xù)。該試驗(yàn)抗生素含量在0.01～100 mg·kg-1范圍內(nèi)，并未見蚯蚓死亡，3種獸藥應(yīng)屬于低級毒。試驗(yàn)結(jié)果說明，3種抗生素對蚯蚓存活率并無明顯影響，蚯蚓不僅具有多功能的解毒防御系統(tǒng)，長期暴露于污泥和雞糞中的蚯蚓腸道內(nèi)還會出現(xiàn)抗生素耐藥基因(ARGS)[30-31]?？股貙︱球镜亩拘耘c劑量有關(guān)，許多關(guān)于抗生素對蚯蚓的毒性試驗(yàn)都是采用試紙接觸法，試驗(yàn)過程中蚯蚓與抗生素溶液接觸時(shí)間長、面積大。該試驗(yàn)以雞糞為接觸媒介模擬自然養(yǎng)殖條件，驗(yàn)證蚯蚓處理雞糞的可行性，蚯蚓與抗生素直接接觸時(shí)間和面積都較少[32-33]。抗生素對蚯蚓的慢性毒性和蓄積毒性有待進(jìn)一步研究。

2.5.2抗生素對蚯蚓產(chǎn)蚓繭數(shù)的影響

如表6所示，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)蚯蚓在不同含量抗生素條件下生長1個(gè)周期后都會產(chǎn)生蚓繭，且各組之間產(chǎn)生的蚓繭數(shù)量差異性不顯著(P>0.05)。試驗(yàn)過程中蚯蚓也未出現(xiàn)不適狀況，初步判斷試驗(yàn)中3種抗生素對蚯蚓產(chǎn)蚓繭數(shù)無明顯影響。

表6 不同含量抗生素作用下蚯蚓產(chǎn)蚓繭數(shù)

3 結(jié)論

(1)初始C/N比為30的試驗(yàn)組雞糞發(fā)酵結(jié)束后腐熟度較高，飼喂蚯蚓的存活率和增長率較高。

(2)腐熟雞糞中高含量的As易引起蚯蚓富集，蚯蚓糞中As濃縮積累，不利于后續(xù)利用。

(4)推廣腐熟雞糞養(yǎng)殖蚯蚓是可行，潛在問題主要在于雞糞中As含量過高，建議減少As類藥物的使用，尋找相同藥效物品替代。