腐熟鸡粪养殖蚯蚓可行性及潜在问题

冉学文，李 宁，熊晓莉 (重庆工商大学环境与资源学院，重庆 400067)

联合国粮食及农业组织将集约化畜禽养殖列为世界三大环境污染源之一[1]。按照1只蛋鸡年排粪45 kg计算，我国年产鲜鸡粪1.4亿t左右[2]。鸡粪中大量的氮、病菌、重金属、兽药抗生素等物质直接进入环境后，会带来严重的环境污染。鸡粪潜在的高污染风险是由于鸡的肠道较短，饲料消化不完全，能量利用率低导致的。目前鸡粪资源化利用的主要方式为能源化、肥料化、饲料化[3-4]。鸡粪能源化需要额外设备投入，成本高，适合大型养殖场，而肥料化虽然是各国普遍采用的技术，但缺乏有关定量使用标准，导致其利用率不高。鸡粪饲料化是一种理想的处理方法，可用于养殖猪、牛、羊、鱼类和黄粉虫，但因饲料化后可能导致适口性差、能量低、有害物质超标等问题，限制了其大规模应用[4-6]。针对现阶段鸡粪资源化存在的一些问题，人们提出鸡粪养殖蚯蚓的想法。除了能处理鸡粪，蚯蚓还可用于制药、饲料、化妆品，蚓粪也是优质的有机肥料[7-8]。目前鸡粪养殖蚯蚓的研究集中在蚯蚓生长繁殖方面，忽略了推广到实际生产时面临的一系列潜在问题，如蚯蚓对鸡粪生长基料的适应性、重金属污染风险、鸡粪残留抗生素的危害等。

笔者采用不同C/N比发酵鸡粪饲喂蚯蚓，考察蚯蚓生长情况，分析蚯蚓和鸡粪中重金属含量变化，探究兽药抗生素对蚯蚓的毒性，探讨了养殖产物利用的安全性，旨在探索腐熟鸡粪养殖蚯蚓的可行性，为实际应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

表1 试验材料性质

1.2 试验方法

1.2.1鸡粪发酵与蚯蚓饲喂试验设计

试验设计见表2。A、B、C 3组各100 kg纯鸡粪，参考有关鸡粪发酵研究，加锯末调节C/N比至20、25、30，初始含水率均为60%[9]。添加发酵菌剂混匀后堆积发酵，用木棒在堆体表面扎孔，促进空气流通，达到最高温度后，每降低10 ℃翻堆1次，直至温度不再上升。

表2 鸡粪发酵和饲喂试验设计

取发酵后的鸡粪(A、B、C)、未经处理纯鸡粪(D)、锯末(E)各1 kg(干重)，铺撒于塑料盒中(长×宽×高为18 cm×27 cm×14 cm)，以花园泥土(F)作为对照，每组重复3次。每组投放100条蚯蚓，每条(500±50) mg，于恒温培养箱中饲喂，温度为(25±1) ℃，培养箱湿度为80%，每天加适量去离子水，保持基料含水率为60%～70%，[光]照度为400～800 lx。7 d测定1次存活率和体重增长率，共21 d。

1.2.2蚯蚓适应性研究处理设计

适应性是指生物体与环境表现相适合的现象，该研究中适应性决定了蚯蚓能否处理鸡粪。当蚯蚓对生长环境表现出不适应性时，会出现蚯蚓挣扎、逃逸的现象。刚投加时，根据蚯蚓的表现对适应性进行分级：不逃逸，钻入基料(Ⅰ)；挣扎，有逃逸倾向(Ⅱ)；大量逃逸(Ⅲ)。蚯蚓对不适环境也表现出一定的耐受性，超过极限蚯蚓就会死亡。为防止饲喂过程中蚯蚓逃逸，影响试验结果，利用蚯蚓的趋光性，对试验组设置光照。蚯蚓长期处于不适条件下，会表现出活力降低、对外部刺激反应减弱的现象，根据蚯蚓活跃程度和针刺反应的表现对适应性分级。活跃程度：非常活跃(Ⅰ)、活跃(Ⅱ)、不活跃(Ⅲ)；针刺反应表现：剧烈反应(Ⅰ)、轻微反应(Ⅱ)、无反应(Ⅲ)。级数越高，适应性越差。

1.2.3鸡粪性质测定

(1)气味与外观

气味，按国际通行六级评价法进行气味测试和评价，数值越大，气味越刺鼻[10]；外观，肉眼观察发酵前后样品的颜色。

(2)发芽指数(GI值)

取5.0 g样品(干重)加入100 mL去离子水浸提1 h，移取10 mL上清液于垫有滤纸的直径9 cm培养皿中，取20粒绿豆种子在(20±1) ℃恒温培养箱中培养96 h，测定种子发芽率(G)和根长(l)，以10 mL去离子水作对照，GI值(IG)计算公式[11]为

(1)

式(1)中，G为浸提液发芽率，%；G0为对照组发芽率，%；l为根长，mm。

(3)理化性质

腐殖酸(HAC)含量按GB/T 34766—2017《矿物源总腐殖酸含量的测定》测定；含水率采用烘干法进行测定；用SIN-pH100型电导率笔(深圳)检测pH值和电导率(EC)，按前文中方法浸提1 h后，参照SCIUBBA等[12]的方法测定；NH4+-N含量测定采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法[13]；NO3--N含量测定参考NY/T 1116—2014《肥料硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定》中的方法；有机质含量按GB 18877—2009《有机-无机复混肥料》进行测定后换算成有机碳含量。样品经海能SH420F型石墨消解炉(济南)消解后用海能K1100F型全自动凯氏定氮仪(济南)测定总氮含量；C/N比则根据有机碳含量与总氮含量计算比值。

1.2.4重金属测定

根据1.2.1和1.2.2节试验结果，取最适宜蚯蚓生长的腐熟前后鸡粪和饲喂前后蚯蚓样品冷冻后，于烘箱中120 ℃干燥24 h(鸡粪干重减少31.38%，蚯蚓含水率w为49.10%)，取出研磨成粉，称取1.000 g于聚四氟乙烯坩埚中，加王水和HClO4消解完全，加体积比1∶1的去离子水和王水，移至50 mL容量瓶，经0.45 μm孔径滤膜过滤，用Spectro Genesis型ICP电感耦合等离子体发射光谱仪(德国)检测Cr、Cd、Pb、Hg、As含量[14]。

富集系数(EF，FE)可用来描述蚯蚓对鸡粪中重金属的富集程度，计算公式[15]为

FE=C/C0。

(2)

式(2)中，C为蚯蚓中某重金属含量，mg·kg-1；C0为鸡粪中某重金属含量，mg·kg-1。

1.2.5抗生素对蚯蚓的急性毒性试验

1.2.6蚯蚓生长数据测定

蚯蚓的平均存活率(S)计算公式为

(3)

式(3)中，n为蚯蚓存活条数；n0为蚯蚓初始条数。

蚯蚓的平均增长率(I)计算公式为

(4)

式(4)中，m为蚯蚓测试时质量，g；m0为蚯蚓初始总质量，g。

2 结果与讨论

2.1 温度变化

鸡粪发酵过程中，微生物利用有机物生长、繁殖并释放出热量。由图1可知，3组试验都经升温、高温、降温3个阶段。升温阶段，微生物呈指数型增长，新陈代谢加快，产生的热量一部分用于升温，另一部分被环境损耗。C/N比为20、25和30的3组试验均在第3天达到50 ℃，最高温度分别为55、59、63℃，50 ℃以上高温持续时间分别为4、5、7 d。随着有机物分解，微生物能利用的物质减少，第11天开始温度逐渐降低进入后腐熟阶段。每次翻堆后，表面未被利用的有机质进入堆体内部，原本坍缩的中心空气流通性增加，微生物代谢增强，所以温度会再次上升。C/N比高的试验组加入的锯末多，鸡粪间的空隙大，空气易进入发酵堆体中心，好氧微生物代谢快，产生热量多，高温持续时间长；C/N比低的试验组加入锯末量少，鸡粪间空隙小，空气进入发酵堆体中心少，微生物增长较慢，产热少，高温持续时间短。C/N比为30的试验组发酵温度维持在50 ℃以上的时间为7 d，满足无害化处理规范[16]。

图1 发酵温度变化

2.2 腐熟后鸡粪性质

鸡粪发酵后的性质见表3。C组气味分值最低，刺激气味最小，A组气味最明显。发酵鸡粪的味道主要是NH3所致，其产生与鸡粪中NH4+-N浓度有关。有研究者指出，腐熟时NH4+-N含量应该低于0.4 g·kg-1，A、B、C组均低于此值[17]。C组发酵后为灰褐色，B组为浅褐色，A组颜色接近锯末，呈黄色。参考NY 525—2012《有机肥料》中规定，无明显气味和灰褐色表示腐熟程度较高。

微生物越活跃，产热越多，水分散失也越多，因此含水率变化和温度变化关系密切。C组高温持续时间长，腐熟后含水率最低(31.32%)。鸡粪发酵后有机质含量仍较高，但不会自发升温。这与加入锯末后微生物并不能完全将其降解有关，避免了处理过程升温导致蚯蚓死亡[18]。3组试验C/N比均表现为降低，有研究以初始C/N比与结束C/N比的比值小于0.6作为腐熟标志[19]，C组满足此要求。GI值也是判断腐熟的重要指标，在实际应用中GI值达到80%～85%表明堆肥腐熟[20]。由表3可知，3组试验GI值分别为90.21%、100.32%、130.43%，仅从GI值判断，3组试验腐熟度都较高。目前暂无判断腐熟度的pH值具体规定，参考NY 525—2012，pH值应在5.5～8.5范围内，B、C试验组pH值在此范围内。EC值低于1.5 mS·cm-1可认为达到腐熟标准，3组试验均满足此条件[14]。腐殖酸是腐殖质的一部分，此成分含量高可以从一定程度上反映腐殖化程度较高[21]。

表3 鸡粪发酵后的性质

判断腐熟度的指标较多，满足判断条件的指数越多腐熟度也就越高。综合以上分析，C组符合腐熟判断的指标最多，A组最少。可以初步判断3组试验的腐熟程度为A

2.3 蚯蚓处理鸡粪

2.3.1蚯蚓的适应性

蚯蚓的适应性试验结果如表4所示，级别越低，蚯蚓的适应性越强。刚投放时，蚯蚓对C、E、F组适应性较强，钻入基料中。A、B、D组蚯蚓有逃逸现象，表现出不适性。其中D组蚯蚓剧烈挣扎，所有蚯蚓均逃逸，在恒温培养箱中饲喂时，无法利用趋光性阻止D组蚯蚓逃逸，且剩余蚯蚓死亡。据此分析，纯鸡粪无法直接饲喂蚯蚓。第7天，C组鸡粪中的蚯蚓在基料浅层采食，活跃程度、针刺反应表现出的适应性最强。A组蚯蚓极不活跃，在盒底部停留。相较于其余组，蚯蚓对A、B组的不适性导致其对针刺的反应较弱。第14和21天，各组蚯蚓表现相似，E、F组对针刺反应的表现与C组相似，但活跃程度比C组低，可能是锯末(E)和花园泥土(F)无法提供营养所致。

表4 蚯蚓的适应性

蚯蚓适宜生长在温度5～35 ℃、湿度60%～80%、pH值为5～9的环境中[15,22]。B、C都满足此条件，但蚯蚓的饲喂效果差异较大。除了物化指标，气味也是影响蚯蚓生存的重要因素。鸡粪中主要释放的是NH3，NH4+-N是影响NH3释放的因素，虽然从数值上来说3组处理NH4+-N含量都在腐熟范围内，但是仍对蚯蚓存活有较大影响。有研究发现，NH4+-N含量过高会对蚯蚓生长产生抑制作用，腐熟鸡粪NH4+-N含量为165.8 mg·kg-1，不会影响蚯蚓正常生长，具体含量上限还有待进一步研究[23]。结合2.2节分析可知，鸡粪腐熟程度越高，刺激气味越小，蚯蚓适应性越强。

2.3.2蚯蚓存活率

“大平二号”蚯蚓的生长周期为30 d，由于在实验室已经饲喂过一定时间，所以选用21 d作为试验的总天数。蚯蚓存活率见图2。

A、B、C分别表示初始C/N比为20、25、30的试验组； D、E、F分别表示纯鸡粪、锯末、花园泥土。

到第21天，A、B 2组蚯蚓的存活率逐渐降低，其中第14天(A：28.00%，B：28.00%)和第21天(A：50.00%，B：49.33%)变化不大(P>0.05)，说明蚯蚓对恶劣环境有一定适应性；C组存活率最高，可达99.66%，与对照组F(100.0%)差异不大(P>0.05)；D组的存活率为0，说明蚯蚓对纯鸡粪的耐受性最低，无法存活；E组为锯末，主要作用是证明鸡粪中添加的锯末不是A、B组蚯蚓死亡的原因。

2.3.3蚯蚓体重增长率

蚯蚓的体重增长率如图3所示。在第21天，A、B组存活的蚯蚓体重增长率分别为6.22%、12.32%，C组的增长率达38.04%。

A、B、C分别表示初始C/N比为20、25、30的试验组； D、E、F分别表示纯鸡粪、锯末、花园泥土。

蚯蚓在没有养分的锯末中存活7 d时体重没有变化，在第14和第21天体重分别下降6.01、8.23%。F组蚯蚓第7～14天体重无变化，可能是靠泥土中少量的营养维持生长，第21天蚯蚓体重下降5.07%。综合前文分析，蚯蚓在腐熟度较高的鸡粪中适应性和生长状况最好，且试验结束时只有C组产生蚓茧，杨世关等[23]的研究中也有类似现象。

2.4 重金属

2.4.1蚯蚓和鸡粪重金属含量变化分析

如表5所示，将试验结束时蚯蚓体内不同重金属含量、总量与初始值进行对比，只有As、Cd含量增加。重金属通过摄食进入蚯蚓体内，为维持细胞内金属离子的稳态，蚯蚓体内形成金属硫蛋白，与一些重金属离子结合的同时富集在蚯蚓体内。部分研究显示金属硫蛋白水平的逐渐增加与蚯蚓内脏中的金属积累成正比[24-27]。从富集系数大小看，该试验中重金属含量Cd>Cu>As>Cr>Zn，这与黄炜等[28]的研究(Cr>Cd>Zn>Cu>As)不一致。不仅蚯蚓体重增长可影响重金属含量变化，当环境中重金属含量低于蚯蚓体内时，可能也无法促进蚯蚓产生更多金属硫蛋白。Zn、Cu在蚯蚓体内的减少量(减少约50%)小于Cr，也能说明含量对富集系数的影响。

表5 蚯蚓饲喂前后、鸡粪和蚯蚓粪中重金属含量

鸡粪中重金属并不能被蚯蚓和微生物降解(由表5中蚯蚓和鸡粪总量之和可知)，经过蚯蚓处理后，营养物质被分解，鸡粪总量减少(干重减少31.38%)，重金属总量不变，形成浓缩效应，导致相对含量增加[29]。蚯蚓虽然能富集一部分重金属，但量太少不足以影响试验结果。腐熟鸡粪中Cd、Hg、Pb这3种重金属含量始终低于0.1 mg·kg-1，说明鸡粪中这3种物质含量很少，经过浓缩后变化也不大。

2.4.2重金属对蚯蚓和蚓粪利用的影响

蚯蚓常用作蛋白补充饲料，根据GB 13078—2017《饲料卫生标准》，As、Pb、Hg、Cd、Cr含量在饲料中的最高限值分别为40、40、0.5、75、20 mg·kg-1。由表5可知，经过发酵鸡粪饲养后的蚯蚓体内重金属As含量超标，蚯蚓不能直接作为饲料产品和单一原料加工使用。

经过蚯蚓处理后的鸡粪，如果作为有机肥商品，应该符合NY 525—2012标准。此标准要求As、Pb、Hg、Cd、Cr的含量必须分别低于15、2、50、3、150 mg·kg-1，如果直接还田需满足GB/T 25246—2010《畜禽粪便还田技术规范》，As、Cu、Zn 含量必须分别低于50、800和3 400 mg·kg-1，在这2种条件下As都超标。

根据以上分析可知，影响蚯蚓和蚯蚓粪后续使用的问题主要是As含量超标。鸡饲料中的药物添加剂是鸡粪中As的主要来源，可通过减少使用或者用其他药物替代的方法降低鸡粪中As含量。

2.5 抗生素对蚯蚓的影响

2.5.1抗生素对蚯蚓的急性毒性

目前国内尚无兽药对蚯蚓的急性毒性评价标准，参考GB/T 31270.15—2014，100 mg·kg-1含量条件下蚯蚓未见死亡，试验则无需继续。该试验抗生素含量在0.01～100 mg·kg-1范围内，并未见蚯蚓死亡，3种兽药应属于低级毒。试验结果说明，3种抗生素对蚯蚓存活率并无明显影响，蚯蚓不仅具有多功能的解毒防御系统，长期暴露于污泥和鸡粪中的蚯蚓肠道内还会出现抗生素耐药基因(ARGS)[30-31]。抗生素对蚯蚓的毒性与剂量有关，许多关于抗生素对蚯蚓的毒性试验都是采用试纸接触法，试验过程中蚯蚓与抗生素溶液接触时间长、面积大。该试验以鸡粪为接触媒介模拟自然养殖条件，验证蚯蚓处理鸡粪的可行性，蚯蚓与抗生素直接接触时间和面积都较少[32-33]。抗生素对蚯蚓的慢性毒性和蓄积毒性有待进一步研究。

2.5.2抗生素对蚯蚓产蚓茧数的影响

如表6所示，试验结束时蚯蚓在不同含量抗生素条件下生长1个周期后都会产生蚓茧，且各组之间产生的蚓茧数量差异性不显著(P>0.05)。试验过程中蚯蚓也未出现不适状况，初步判断试验中3种抗生素对蚯蚓产蚓茧数无明显影响。

表6 不同含量抗生素作用下蚯蚓产蚓茧数

3 结论

(1)初始C/N比为30的试验组鸡粪发酵结束后腐熟度较高，饲喂蚯蚓的存活率和增长率较高。

(2)腐熟鸡粪中高含量的As易引起蚯蚓富集，蚯蚓粪中As浓缩积累，不利于后续利用。

(4)推广腐熟鸡粪养殖蚯蚓是可行，潜在问题主要在于鸡粪中As含量过高，建议减少As类药物的使用，寻找相同药效物品替代。