中性蛋白酶高温酶解条件下猪粪资源化利用中养分的变化规律

摘要  以酶工程及酶动力学为技术依托及科学依据，将猪粪加玉米秸秆组合作为底物，添加2%中性蛋白酶，在生化反应釜中80 ℃酶解3 h，底物含水量降低至56.01%，同比下降2.34%；大分子有机质含量降低至63.79%，酶解后，A、B处理的底物有机质含量分别降低了14.19%、15.06%；植物可利用大量元素提高至6.87%，符合NY 525—2012有机肥标准；速效磷、速效钾、全盐、总腐殖酸呈下降趋势；蛔虫卵死亡率达到92%，种子发芽指数达到54%，达到有机肥腐熟标准。

关键词  猪粪；中性蛋白酶；高温酶解；有机肥；养分；变化规律

中图分类号  S141.2  文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2024）04-0051-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.04.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Changes Rule of Nutrients During the Resource Utilization of Pig Manure Under High Temperature Enzymatic Hydrolysis with Neutral Protease

DAI Peng.fei，SUN Quan，XIE Hao.jun et al

（College of Agriculture，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract  Based on enzyme engineering and enzyme kinetics as the technical support and scientific basis，the combination of pig manure and corn stover was used as the substrate，2% neutral protease was added，and the water content of the substrate was reduced to 56.01% at 80°C for 3 h in a biochemical reactor，a year.on.year decrease of 2.34%.The content of macromolecular organic matter was reduced to 63.79%，and after enzymatic hydrolysis，the organic content of substrates treated A and B reached 14.19% and 15.06%，respectively.The use of a large number of elements in plants had been increased to 6.87%，which met the NY 525-2012 organic fertilizer standard.Available.available phosphorus，available potassium，total salt and total humic acid showed a downward trend.The mortality rate of roundworm eggs reached 92%，and the seed germination index reached 54%，which reached the standard of organic fertilizer rot.

Key words  Pig manure;Neutral protease;High temperature enzymatic hydrolysis;Organic fertilizer;Nutrient;Change rule

基金项目  宁夏回族自治区重点研发计划项目（2019BCF01001，2022BEG02004）。

作者简介  戴鹏飞 （1998—），男，宁夏固原人，硕士研究生，研究方向：农业资源利用。*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事农业资源和环境教学与科研工作。

收稿日期  2023-03-02

促进畜禽粪污资源化性质开发利用，是实现本地畜禽生产可持续发展的必然选择，是农产品资源环境保护既是农业生产的重要物质基础，也是我国农产品质量安全的根本保证，随着我国人口增加、生活膳食方式的转型以及农村城市化持续推进，我国农产品需求量持续刚性上升，同时民众对自然环境以及农产品安全的需求也日益提高，对维护中国农产品资源环境保护制度提出了更高需求。畜禽饲养产生的粪污中包括了大量的氮、磷物质以及病菌、寄生虫，不仅是农作物面源环境污染的主要污染源，还危害到了养殖户身边的自然环境，甚至危害市民的健康，因此畜禽饲养所产生的粪污已经形成了实现畜禽饲养可持续发展最大的环境障碍［1］。我国作为畜禽养殖大国，庞大的养殖规模下产生的大量养殖粪污是造成农业面源污染的主要来源［2］。未经处理的畜禽粪污在储存过程中还会释放大量有毒气体［3］。同时，畜禽粪便作为一种有机固体废弃物，富含氮、磷、钾和有机物等营养元素，也是农业生产中的重要肥料资源［4］。好氧堆肥是实现畜禽粪便无害化与资源化的生物转化技术［5］，有利于肥料中养分的保持，是我国目前粪便处理的主要方式［6］。堆肥后所得的肥料施于土壤，可以改良土壤，提高土壤肥力，对降低环境压力和实现畜禽养殖业可持续发展具有十分重要的意义［7］。然而，传统的好氧堆肥技术依然存在一些问题，如堆肥时间长、有机物降解不完全、腐殖化程度低、氨气挥发、温室气体释放和重金属活性高等，这些问题不仅会降低堆肥品质，造成二次污染，还会阻碍堆肥产业化的发展［8-9］。

已有部分研究指出，添加不同辅助堆肥材料不仅能够满足微生物发酵所需的水、气、温，还能提高发酵速度，降低臭气及氮素损失等［10-11］。陈云峰等［12］研究表明，添加碳酸盐岩能促进堆肥发酵；吴晓东等［13］研究发现添加柠条生物炭可以缩短堆肥升温期1～2 d，延长堆肥高温期的停留天数2～4 d，提高堆肥质量；徐荣等［14］通过研究筛选出了绿色安全的堆肥添加剂聚天冬氨酸，其对堆肥过程具有氮素固持和重金属钝化的综合作用。而中性蛋白酶在畜禽粪便堆肥中的应用研究较少，因此，探究中性蛋白酶在堆肥中的应用效果能够为畜禽粪污资源化利用提供一定的理论依据。该研究采用全封闭发酵装置，以玉米秸秆为辅料，引进台湾杨秋忠院士发明的粪污酵素发酵技术，以产品理化性状作为评价标准，探究在添加中性蛋白酶高温酶解下猪粪资源化利用中养分的变化规律。

1  材料与方法

1.1  供试原料  供试生猪粪购自养猪场，玉米秸秆购自农户。堆肥添加剂为地天泰农业生技股份有限公司提供的中性蛋白酶ME-101（农业用酵素）。物料理化性质见表1。

1.2  酶解堆肥装置

试验采用地天泰农业生技股份有限公司的全封闭发酵装置进行高温酶解堆肥，利用电热棒加热生物油，生物油供给物料热能量。主体结构装置示意图如图1所示，整个装置为卧式反应罐钢架结构，外壁设有隔热层25 mm，生产罐圆柱体长2.5 m，直径1.1 m，有效容积为85%，罐体由电机旋转，酶解发酵搅拌转速为4.6 r/min，内壁设有螺旋式推进装置。

1.3  酶解方法

试验于2020年5月中旬在宁夏吴忠市红寺堡金宇浩兴养殖基地进行。该试验设置2个处理，处理A

不添加中性蛋白酶为对照，处理B为添加中性蛋白酶。将生猪粪和玉米秸秆按C/N=25∶1混合，再用去离子水调节混合物料含水量至60%，根据物料总量为150 kg，添加3.75 kg中性蛋白酶ME-101（用量为25 kg/t）。各处理不同原料添加量见表2，后开启搅拌旋转控制开关开始升温酶解，总酶解时间为3 h。

1.4  采样和测定指标及方法

采用五点取样法采集酶解样品，采取时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h的样品，每份取样500 g装于自封袋，一半于4 ℃条件下保存，另一半自然风干粉碎过筛备用。每隔0.5 h测定肥堆上、中、下3个层次的温度，并记录室温。同时采集铝盒1/3体积的新鲜样品测定含水率。将新鲜堆肥样品与水按1∶10（质量体积比）比例混合振荡2 h，上清液测定pH和电导率。有机质、全氮、全磷、全钾的测定方法参考国标NY 525—2012［15］。 速效氮、速效磷和速效钾的含量分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度法测定［16］。

种子发芽率的测定参考文献［17］。蛔虫死亡率的测定参考文献［18］。总腐殖酸采用焦磷酸钠浸提-重铬酸钾容量法测定［19］。

1.5  数据统计

试验数据使用Excel 2010整理与作图，SPSS 20.0软件进行显著性检验，显著性水平为P<0.05。测定结果均以平均值±标准误的形式表示。

2  结果与分析

2.1  酶解过程中物料温度的变化

在限定物料温度（80 ℃）和油浴加热温度（120 ℃）下，各处理物料在20 min时均可达到高温发酵温度，油浴30 min后温度均可到达100 ℃以上，高温可以保证供应物料酶解腐熟的热能量。

2.2  酶解前后总腐殖酸含量的变化

腐殖酸含量是影响物料腐熟度及其农用效果的重要参数，如图2所示，A、B处理的总腐殖酸含量均呈先升高后降低的趋势，在1.0 h之前，处理B的总腐殖酸含量高于处理A，处理A在1.5 h时达到最大值（20.61%），处理B在1.0 h时达到最大值（21.29%）。酶解3.0 h时处理A总腐殖酸含量较酶解前（0 h）提高了40.25%，处理B的总腐殖酸含量较酶解前降低了11.57%。腐殖酸中部分易降解物质被微生物分解后，腐殖酸降解量大于其合成量，使得后期腐殖酸含量逐渐下降。

2.3  酶解前后蛔虫卵死亡率的变化

从表3可以看出，酶解后各处理的蛔虫卵死亡率均较酶解前有所提高，其中处理B提高最明显，较酶解前提高了48.39%；处理A酶解后的蛔虫卵死亡率较酶解前提高了23.08%。说明中性蛋白酶能促进物料的腐熟进程。

2.4  酶解前后种子发芽指数（GI）的变化

种子发芽指数（GI）可直接反映酶解物料的腐熟程度。从表4可以看出，高温酶解后不同处理种子发芽指数较酶解前差异明显，各处理酶解后的种子发芽指数均较酶解前的高，处理B提高最明显，提高了1.57倍。而处理A提高并不明显，可能是由于酶解过程中处理A中不断累积的无机盐离子含量过高，从而对种子发芽产生了抑制作用。

2.5  酶解后各处理营养成分比较

从表5可以看出，处理B的有机质相比于处理A提高了54.64%，全氮、全磷和全钾含量均高于处理A，分别提高了21.43%、37.61%、268.70%，总养分含量也达到了6.87%。

2.6  酶解过程中堆体含水量、pH和电导率的变化  在堆肥过程中，物料含水量的变化与微生物活动和温度都密切相关，适当的含水量能提高堆肥的效果，堆肥的最佳初始含水量在55%～65%。如图3a所示，在酶解开始时，A、B处理的初始含水量均较高，分别为56.15%、57.29%，随着酶解的进行，A处理含水率在0～2 h呈现降低趋势，在2～3 h略有上升趋势，在2 h处达到最低点，其值为55.10%。B处理在0～1 h 呈现逐步降低趋势，且在0～1 h下降趋势较大，在1～2 h呈现先上升后下降的趋势，2～3 h也呈现先上升后下降的趋势，在3 h处达到最低点，为56.01%，还没有达到NY 525—2021有机肥标准，后期还需要经过一段时间的晾干。