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猪粪尿的分解原理与发酵床的使用潜力

2010/3/6 9:34:23   文章来源:原创   作者:钟启平   浏览次数:14032
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5.有人问,那么发酵床中的微生物是如何分解掉猪的排泄物的呢?

5.1. 猪尿液的微生物同化作用。

    正常的猪尿物质与人尿和其他动物的尿相似,主要是含氮物质,及少量碳水化合物:

5.1.1含氮物质:主要有尿素、尿酸、肌酸和肌酐、氨基酸和氨等。

    ① . 尿素:是蛋白质代谢的主要产物,在肝脏解毒时产生,在尿中的含量随蛋白质代谢情况而改变。尿素含量的变化亦见于某些疾病。严重肝功能障碍会影响尿素合成,尿素排出量减少。糖尿病患者的组织蛋白分解增多,尿中尿素含量增加。慢性肾炎患者,由于肾功能障碍,排泄减少,尿素排出降低,血中尿素含量增加。

    ② . 尿酸:是嘌呤类化合物的代谢终产物。大量食入含核蛋白丰富的食物,或体内细胞大量分解,尿中酸排出量就会增加。尿酸在酸性尿中易析出结晶形成结石。

    ③. 肌酸和肌酐:肌酐是肌酸的代谢产物。肌酐的排出量比较恒定,排泄方式主要是通过肾小球的滤过作用。

    ④. 氨基酸:氨基酸是蛋白质代谢的正常产物。机体保留氨基酸的能力很强。尿中只有微量的氨基酸。但当患有严重糖尿病、肝病和某些遗传性肾小管重吸收作用缺陷时,尿中才排出较多的氨基酸。

    ⑤. 氨:尿中所含的氨以铵盐的形式存在,系在远曲小管中生成。生成的氨,由远曲小管分泌至管腔内,与氢离子结合成NH+4。它与Na+交换,能使机体排酸保碱。氨的排出量对体内维持酸碱平衡起重要作用。酸中毒时,尿氨排出量增加。

 

5.1.2. 其他有机化合物:如马尿酸、结合的葡萄糖醛酸、乳酸、—羟丁酸、草酸的化合物等。

     马尿酸是由苯甲酸和甘氨酸在肝内结合而成,是机体对苯甲酸的一种代谢方式。结合葡萄糖醛酸也是肝内解毒作用的一种方式。当剧烈运动和因各种原因引起肌肉组织缺氧,使无氧氧化增强,血乳酸增多时,尿乳酸排出量也增多。草酸来自蔬菜,草酸钙在酸性尿中易排出,成为尿结石的成分。β—羟丁酸是酮体的主要成员之一,当机体发生代谢性酸中毒时,尿中可出现酮体。

     电解质:尿中的无机盐类主要是Cl-、Na+、K+和磷酸盐等。尿中Cl-和Na+的排泄常伴随而行,食入的多,排泄的多,少食少排,体内缺乏时可以不排。K+则不同,即使体内缺K+,只要有尿仍随尿排出。所以肾脏保Na+的能力比保K+强。

     另外,尿中虽有少量蛋白质和糖,由于一般方法检查不出来,所以被看成是生理性的。如在尿中检查出蛋白质和糖则认为是病理性的

 

5.1.3. 猪尿液如何同化的。

     如上所述,尿液中的成分其实是微生物非常好的培养基,如果要说发酵床中的微生物是如何分解它们的,倒不如说是如何吃掉它们的,尿中的成分大多为小分子有机物或无机物,用不着再进行分解了,而是怎样同化它们,成为微生物菌体的成分,活力99保健液中的微生物有数十种,同化吸收这些小分子有机物是它们的专长,不同的菌对不同的小分子物质偏好不同,但正是由于微生物菌种众多,所以,分工协作的结果是所有的尿液成分都能够得到充分的吸收利用。

     尿中的尿素、尿酸、肌酸和肌酐、氨基酸和氨等这些成分,本来就是微生物实验室中最佳的氮源成分,是配制微生物平板培养基、斜面培养基的极好的原料,最简单的生活常识就是,尿液适当稀释后,是农作物最好的有机肥料,也是土壤微生物的最好的生长繁殖原料,用这些成分去培养发酵床中的微生物菌种是最好不过的原料了。

    而尿液中的葡萄糖醛酸、乳酸、β—羟丁酸、草酸则是极好的微生物碳源营养,可以合成微生物碳骨架,由于它们是小分子物质, 反而非常好吸收利用。

     尿中的电解质元素,则是微生物生长繁殖中的常量和微量元素,用于蛋白质和碳骨架的合成过程中。如果一定要个化学式表示,可以表示如下:

     氮源物质+碳源物质+电解质元素+氧气+水+垫料中其他辅助物质+微生物菌种 = 生成更多的微生物菌体细胞。

    当然,尿液中的碳氮比不成比例,碳源相对较少,但这不要紧,因为垫料中的碳源比较多。

    生成的微生物菌体,可以被猪采食,或作为发酵床的扩大的菌种来源,只要控制好让有益细菌占绝对优势,就可以生成更多的猪的美味菌体蛋白。

 

5.2. 猪粪是如何分解的?

5.2.1. 猪粪的成分、及碳氮比和使用寿命的理论问题

     猪粪中碳氮比为14比1,其中:水分占65-70%,固体成分占30-35%,其中固体中30%为死细菌,10%~20%为脂肪,2%~3%为蛋白质,10%~20%为无机盐,30%为未消化的残存食物及消化液中的固体成分如脱落的上皮细胞。

     微生物的最佳生长繁殖碳氮比为25︰1,原因是当微生物分解有机物时,同化5份碳时约需要同化1份氮来构成它自身细胞体,因为微生物自身的碳氮比大约是5:1。而在同化(吸收利用)1份碳时需要消耗4份有机碳来取得能量,所以微生物吸收利用1份氮时需要消耗利用25份有机碳。也就是说,微生物对有机质的正常分解的碳氮比的25:1。

     猪粪中的碳氮比为14︰1,而微生物的最佳生长繁殖碳氮比为25︰1(均指微生物可利用的碳源和氮源),所以,碳源相对比较缺少,但垫料中的碳氮比达到了90︰1左右,不过,如果垫料全部用锯末的话,由于锯末中的碳源多以木质素存在,常规微生物不能利用木质素,在发酵床运转过程中,由于各种物理、化学、生物因素的影响,木质素会非常缓慢地释放一些微生物可利用的碳源来,但非常有限,如此则单位时间内发酵床中垫料中微生物可利用的碳源并不多,估计每天只有0.1%左右。

     我们知道:一般发酵床垫料与排泄物的比例是500比1左右(指折干物质的比例,如果是湿的粪尿,则为100︰1左右),如上所述,其中垫料每天可提供的可利用碳源为0.1%的话,则垫料中每天可利用碳源与猪粪的比例是500×0.1%︰1=0.5︰1,已知这部分可利用碳的碳氮比是100(既然是指可利用碳,则其中无氮),套上式即为50︰1、猪粪的碳氮比是14︰1,两者综合的结果是碳氮比32︰1,大于微生物最佳生长碳氮比25︰1,这是实际使用过程中相对真实的碳氮比。

    32︰1的碳氮比仍然超过了最佳碳氮比,这意味着,猪粪尿中的氮源相对少,意味着粪尿中的氮源可以充分利用,并合成菌体蛋白质,而又不会产热过多,(碳源太多则发酵产热过多)。

    这里有个使用寿命的问题,如下:

     ① 从上可知,每天需要垫料提供垫料总量的(25÷32×0.1%)=0.08%来提供碳源,才能完全同化粪便中的氮素,这样,即使垫料100%完全用来提供碳源,也只能使用1250天,即3.42年,而且后期垫料的计算基数(总量)也相应减少了,所以,只能使用2.2年左右,再考虑到垫料中最终可提供的可利用碳源可能只是垫料总量的一半,所以,理论上实际只能使用1.1年。

     ② 但是,并非粪便中所有的氮源,都转化成了菌体蛋白,实际上只有30%的粪便中的氮源转化成了菌体蛋白(这也是笔者从事17年多固态发酵技术得到的经验:即使是好氧浅层发酵也只能转化无机氮的30%),其他70%氮源其实都以无机盐的形式存在(如NH4+、亚硝酸盐、硝酸盐、有机酸结合胺……等),还有部分变成氨气挥发到空气中去了,所以,上述理论可以增加3.66倍,即可以使用3.66年。

     ③ 另外,在发酵床使用过程中,由于肉眼可见的垫料层会下沉不少,所以,必须人工补充垫料,建议可以补充锯末外,还可以补充玉米秸秆粗粉(或棉杆粗粉、甘蔗渣、甜菜渣、麦秸粗粉……等容易分解的碳源)等,实际上最终补充的量可能达到初建设发酵床用量的60%之多,所以,上述理论寿命还可以延长到5.86年。

     ④ 当然,实际上真的使用到5.86年的话,这时,垫料能力已经饱和,分解力下降,所以,我认为,最佳使用寿命应该定为4~5年(前提条件是使用过程中,不断地补充了新鲜垫料达到至少初建时的40%)。

     ⑤ 当然,还有很多办法延长发酵床的使用寿命,如:使用过程中,小养殖户可以适当铲出一些粪便来做为堆肥或农家肥用;初建设时,使用30%的玉米秸秆粗粉等农作物秸秆粗粉,这些原料的可利用碳源含量远高于锯末,但缺点是容易发热和板结;补充垫料的过程中,尽量使用一些作物秸秆粗粉;做好计划,定期更换一些老垫料;

 

5.2.2. 粪便中各成分的特点及分解过程式

     粪便的黄色是由胆红色的衍生物粪胆色素和尿胆色素形成的。气味则由细菌作用的产物所致,主要有吲哚、粪臭素、硫醇和硫氢化物。

    粪便中的成分还可以根据类型分类如下:

①、食物残渣

②、细菌占20-30%

③、消化道粘膜脱落物,分泌物

④、细菌分解代谢物

⑤、其他:  包括食物中不被消化的纤维素,消化道的分泌物,如粘液、胆色素、粘蛋白、消化液、消化道粘膜脱落的残片,上皮细胞和细菌。

     其中,2~30%是含氮物质,如胺、氨、吲哚(indole)、亚硝胺,臭粪素等腐败物质,10~20%是无机盐(钙,铁,镁,汞),10~20%是脂肪,分解的脂肪是食物未被吸收的,中性脂肪由细菌和上皮残片而来的。另有粪胆素和尿胆素,胆固醇,嘌呤基和少量维生素。

     结肠内气体约100毫升,60%氮、10%二氧化碳、25%甲烷、5%硫化氢和少量氧气。

     在大肠内菌群的细菌约有100种共计100兆个,如果将所有细菌首尾相接其长度可绕地球两周。排泄的大便中细菌量约占大便总量的20-30%。大肠内细菌可分为有益菌,机会菌及有害菌三类。由于机会菌如大肠杆菌等,在机体正常情况下不会致病,但是在机体抵抗力下降或者肠道菌群平衡失调的情况下也会致病,因此也可将其归于有害菌类。有益菌的典型菌为双歧杆菌和乳酸杆菌,其中以双歧杆菌为主。有害菌种类很多,如威尔斯菌、梭状芽孢杆菌、葡萄球菌、绿脓菌等许多种类的细菌。随着年龄增长或机体功能的下降,有益菌所占的比例降低,而有害菌则随之增加。

     由此可见,粪便中的成分非常复杂,整体上来讲,有益菌与有害细菌是共存的,健康状态下的猪粪,两者都有而且数量相似,健康状态下有益细菌略上优势,疾病状态下的猪粪则有害细菌占多数,这对发酵床的发酵功能产生了压力。

     由于粪便中含有较多的大分子有机物,如未消化的粗纤维和蛋白质,这就要求在垫料微生物群的发酵中得到分解,粗纤维会慢慢分解成葡萄糖小分子,蛋白质将分解成氨基酸小分子,臭味素多为含氮小分子物质,最终又形成了尿液中的形式,最终被微生物菌体细胞所同化吸收,最终成为微生物菌体细胞,并成为猪的美食,在这些过程中,管理人员所要做的就是维持好垫料中的发酵活力,保持有益菌种占绝对的优势,如经常要观察,注意分散粪便太集中的地方,充分发挥发酵床各处的发酵能力,经常或定期补充保健液,以人为增强有益菌群的数量,保持有益的发酵过程,抑制有害的发酵过程(指有害细菌如大肠杆菌来发酵粪便物质,产生粪臭素、组氨、硫化氢、吲哚等有害物质),压制有害细菌,使其数量上无法滋长,当然,靠的是竞争性的抑制,数量上的竞争性抑制、有益菌在数量上达到一定程度必定产生质的变化,如形成有害细菌的屏障、产生杀菌素(好氧发酵床中除了乳酸链球菌素、嗜酸菌素、过氧化氢、乳酸外、还有枯草芽孢杆菌等产生的枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素、短杆菌肽等抑菌制剂)。

      其分解粪便的化学进程式也与分解尿液是一样的,只是大分子物质在好氧条件下,先行分解成小分子,在好氧条件下分解大分子比之厌氧状态下要有利得多,当然,也会造成大量的能量营养变成二氧化碳和热量挥发掉,好氧发酵通过氧化磷酸化途径获得能量,比之厌氧状态下通过底物水平的磷酸化获得能量要多得多,也会造成产热量巨大,碳水化合物变成二氧化碳等过程,这也就是为什么我们强调发酵各种糟渣时建议采用严格密封的厌氧发酵的原因,厌氧发酵对发酵原料营养的损失不会超过10%,一般是5%的能量和营养的损失,但最终却提高了消化吸收率,最终厌氧发酵的结果反而是提高了可利用的能量和其他营养价值,并得到了营养的保存,而好氧发酵则对物质分解彻底,就象燃烧了一样,所以,特别适合于发酵床的运用。发酵床管理中经常需要翻拌,目的也是为了增加其中的氧气进入。

      所以,粪便的化学进程式如下:

     氮源物质+碳源物质+电解质元素+氧气+水+垫料中其他辅助物质+微生物菌种 = 生成更多的微生物菌体细胞。

     生成的微生物菌体,可以被猪采食,或作为发酵床的扩大的菌种来源,只要控制好让有益细菌占绝对优势,就可以生成更多的猪的美味菌体蛋白。

 

5.3. 正常运转的发酵床,最多能承受多大的养殖密度

      过度排放粪尿的结果就是直接危害了有益微生物占绝对优势的微生态平衡,前面相关问题的解答中,我不断地强调就是因为发酵床中存在一个以有益微生物 为主体的,占绝对优势的微生态系统,所以,能够顺利地分解所有的粪尿,并不会产生有害物质如:粪臭素、组氨、硫化氢、吲哚等有害物质,同时,有益细菌占绝对优势的环境,也保证了猪体的健康和免疫系统的正常运作,那么,过量排放粪尿的结果就是造成有害细菌占主体,由于是敞开式好氧发酵,环境中的有害细菌,以及粪中的有害细菌不断增加,所以,打破了相关的微生态平衡,自然,发酵床的微生态系统也就失去了正常发酵分解的功能了。

      那么具体是多少粪尿能够打破这种平衡呢?我们曾做过试验,管理良好的发酵床能够承受的最大排放量是:每吨垫料(折干物质计算),在15度环境温度下,一天之内可以承受60公斤的粪尿排放,连续10天以上就开始退化。这相当于正常情况下,20平方米60公分厚的垫料的猪栏,饲养20头中猪的结果。所以,我们建议,为了保险起见,建议养殖密度发酵床为至少1.5平方米/头大猪。条件好的,我个人认为应该更少一些,如2平方米养一头大猪。

      如果床体不能发酵了,最简单的方法就是减少饲养密度、补充垫料和保健液,进行深翻垫料,这几点其实在发酵床管理中讲得比较详细了。


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