黑水虻幼虫转化有机废弃物的研究进展

黑水虻（black soldier fly, Hermetia illucens）的一代历经卵、幼虫、蛹及成虫4 个不同的形态，具有吃食范围广、吃食量大、生长发育周期适中、抗逆性强、耐油耐盐、生态安全性高和幼虫营养价值丰富等优点。完全发育的幼虫蛋白质含量约为40%～50%，每1 kg虫重的氨基酸含量中谷氨酸19.7 g、天门冬氨酸达16.5 g、缬氨酸达12.9 g。鲜虫虫体中的脂肪含量约为35.0%，其脂肪酸含量中月桂酸高达53.2%、油酸达12.4%、亚油酸达8.8%。黑水虻可将有机废弃物转化为虫体蛋白质和脂肪，是有机废弃物资源化处理领域极具产业化前景的昆虫种类[1-2]，发展黑水虻养殖是促进生态循环和社会可持续发展的重要举措[3]。目前，黑水虻幼虫主要用于将有价值的有机基质转化为肥料并生产沼气。黑水虻幼虫虫体还可以用作动物饲料和人类消费品的蛋白质替代品[4]。因此研究黑水虻对有机废弃物的生物转化具有重要意义。

我国餐厨垃圾和畜禽粪便等有机废弃物产量巨大，目前有机废弃物末端处理技术主要包括：厌氧发酵、好氧堆肥、灭菌饲料、焚烧处理等[5]。生物转化是黑水虻、蝇蛆、黄粉虫等昆虫来利用有机垃圾供机体生长发育，并产出高营养的昆虫蛋白[6]。近几年生物转化技术凭借操作简单、能耗低、效率高、产品附加值高等优势，受到越来越多的关注。有机废弃物通过生物转化技术使其被资源化利用，从中可以创造具有高生物价值和经济价值的二次产品，黑水虻生物质可作为动物饲料或者作为人类营养的替代蛋白质来源[7]。

2.1 黑水虻幼虫对餐厨垃圾的处理相关研究进展

餐厨垃圾具有高含水率（约75%～85%）、高有机质含量（占干质量75.1%～90.1%）、高盐分（占湿质量0.5%～3.0%）和高油脂含量（占湿质量2.0%～17.0%）的特性[8]。近年来的研究结果表明当环境温度为27 ℃时，黑水虻幼虫能够高效地降解餐厨垃圾且具有较好的生长性能[9]。在餐厨垃圾中添加适当比例的麦麸，可以改善黑水虻幼虫虫体中脂肪和蛋白质的含量[10]，为产出不同要求的虫体蛋白提供了理论指导[11]。利用餐厅废水与玉米芯进行发酵可收获沼气，经发酵后玉米芯生化特性得以改善，再用来饲养黑水虻幼虫能有效收获黑水虻虫体[12]。污泥的添加可以改善黑水虻幼虫的品质，25%污泥和75%餐厨垃圾为最佳混合比例，该比例培养的黑水虻粗蛋白、粗脂肪和微量元素含量较高[13]，重金属污染风险最小[14]。黑水虻还可以削弱废物的污染能力，研究发现在餐厨垃圾中添加水果发酵液和商品乳酸菌发酵液作为除臭辅助物质能显著提高黑水虻幼虫肠道弯曲杆菌、肠球菌、伊格纳茨希内菌、畸形虫和拟杆菌的相对丰度，增加了餐厨垃圾底物的物种多样性和丰富度[15]，同时降低了餐厨底物pH、减少餐厨垃圾基质氨排放，并影响了餐厨垃圾基质微生物群落结构。利用黑水虻处理餐厨垃圾是一种新型绿色处理方式，该方式将为餐厨垃圾再利用和黑水虻养殖提供新的思路。

2.2 黑水虻对畜禽粪便的无害化处理及再利用

2.2.1 黑水虻能够高效利用畜禽粪便

畜禽粪便目前主要采用厌氧发酵和好氧堆肥等方法进行资源化利用，但是发酵和堆肥时间长、效率低并造成较严重的土壤、水体和空气的污染。黑水虻幼虫处理畜禽粪便，不仅能有效对粪堆进行减量，还能减少粪便中的病原体[16]，同时降低恶臭气味的排放量[17]。使用10～11 日龄的黑水虻处理鸡粪便后，其中大肠杆菌和沙门氏菌的数量减少了99.95%以上[18]。在生物转化过程中，黑水虻幼虫可产生信息素驱赶家蝇的成虫，使其不能在粪便中产卵，从而对家蝇的生长可达100%的抑制[19-20]。由此可见，利用黑水虻幼虫处理畜禽粪便可抑制家蝇和有害微生物生长，减少甲烷排放，是一种有前途的粪便处理技术，具有促进畜牧业发展良性循环的巨大经济潜力。

2.2.2 黑水虻对畜禽粪便生物转化过程中的影响因素

幼虫密度和粪便中营养物质的含量[21]是影响黑水虻幼虫对畜禽粪便生物转化效率的重要因素。当饲料中牛粪占比为36%时会收获较高的黑水虻幼虫生物质[22]。相比于猪粪和牛粪，鸡粪中所含营养成分更复杂，这也导致了黑水虻对于鸡粪的降解效率较低。同时研究发现黑水虻处理畜禽粪便的能力还与粪便中的一些木质纤维素有关。相比木质纤维素含量低的猪粪，幼虫对牛粪的转化率较低，主要是牛粪中的纤维素和木质素含量较高，阻碍了黑水虻幼虫对牛粪的转化。此时利用黑水虻协同木质纤维素外源性细菌，可提高粪便的降解率[23-24]。事实上，传统堆肥方法的周期过长，不能满足当下畜禽养殖废弃物处理机制的需求。结合现存的一些技术难题，如黑水虻冬季养殖、夏季养殖的控温问题，传统黑水虻幼虫对畜禽养殖废弃物生物转化夏季至少需要2 个月才能完成，而温度较严苛的冬季则需要3～4 个月之久。因此，寻求高效分解剂辅助黑水虻幼虫转化，加速堆肥过程成为解决此问题的关键。

2.3 工厂化养殖黑水虻流程

工厂化养殖黑水虻能实现养殖的产业化、规模化，其主体工艺包括原料的预处理、虫卵孵化与接种、幼虫半机械化养殖、鲜虫筛后处理、种蛹管理、成虫产卵。其鲜虫用作饲料应用，虫沙腐熟作有机肥。预处理使用湿热解技术[25]，餐厨垃圾在加热罐和三相离心设备的处理下实现粗油脂、水分、残渣的三相分离，提炼的粗油脂作为养殖原料，保证黑水虻高效地进行生物转化积累虫体蛋白。虫卵孵化时将孵化料的含水率控制在55%左右，避免过高的含水率导致虫卵缺氧死亡。长到三龄虫后，其表现出较强的生命力，78%的物料含水率便能实现虫体快速生长，略微变化对黑水虻幼虫的生长无明显影响。黑水虻对灯光有一定需求，养殖过程中，可通过LED 灯模拟太阳光照射补充光源，以满足黑水虻生活习性需求，同时也能提高成虫交配率及产卵量。

黑水虻幼虫共生的微生物包括内源肠道微生物和外源微生物[26]，其可有效促进幼虫采食有机废弃物，共生细菌在昆虫的成功生长、繁殖和促进营养吸收方面发挥着关键作用[27]。Mazza 等[28]从黑水虻幼虫肠道分离得到的枯草芽孢杆菌（Bacilus subtilis）、考克氏菌（Kocuria marina）与奇异变形杆菌（Porteus mirabilis）等多种微生物，这些微生物在幼虫体内能够分泌枯草菌素、短杆菌肽、制霉菌素等活性物质，有助于提高幼虫数量，进而帮助提高黑水虻幼虫对于有机废弃物的降解效率。同时发现添加外源布氏乳杆菌或芽孢杆菌能够提高幼虫对大豆副产物的降解效率[29]。与传统堆肥工艺相比，与功能性细菌共同转化鸡粪工艺可以缩短鸡粪处理时间，提高黑水虻幼虫生长速率[30]。目前，国内对黑水虻肠道微生物的研究较少，因此，肠道微生物的研究方向仍具有较大的可挖掘性。

相关研究表明外源微生物能够分泌抑菌物质。Rehman 等[31]还研究了外源微生物对纤维素的转化作用，纤维素在外源细菌等的作用下，得到了很好的降解和氧化，在电子显微镜下显示纤维的化学成分有了明显的改变，外源微生物的参与提高了黑水虻幼虫的消化分解效果。Zheng 等[32]在利用稻草和餐厅固体废物转化为黑水虻幼虫油脂的研究中得出了同样的结论，外源微生物的加入使稻草被初分解，同时也利于黑水虻幼虫脂肪的积累，在生物机理上促进了幼虫对有机废弃物的利用。张浩[33]研究表明接种嗜热菌剂可强化餐厨沼渣和黑水虻虫粪混合堆肥腐熟，优化微生物群落结构，提高堆肥产品肥效和稳定性。外源微生物的辅助作用不仅能促进分解，还能够改善黑水虻幼虫对一些有机废弃物消化不良的情况，提高废物的转化效率。

4.1 饲料应用

黑水虻幼虫体内含有多种脂肪酸、有机酸、功能性酶，对以肉食为主的高端养殖领域有着显著的优势[34]。谢飞[35]以黑水虻幼虫粉替代50%日粮饲喂断奶仔猪，结果表明，仔猪日增重和饲料转化率均有所提高，对仔猪的生长发育有较明显的促进作用。胡俊茹等[36]研究了黑水虻幼虫粉替代鱼粉对凡纳滨对虾幼虾生长性能、体组成、血清生化指标和抗氧化能力的影响，发现其可显著增强凡纳滨对虾幼虾血清中抗氧化酶的活性,进而提高机体抗氧化能力，并对幼虾的生长性能有一定的促进作用。Marco 等[37]在肉鸡的基础饲粮中添加25%的黑水虻幼虫干粉，发现其粗蛋白、粗脂肪和17 种氨基酸水平均有提高。黑水虻幼虫粉替代其他物质，降低生产成本，同时产品品质不受影响或甚至会提高。此外，黑水虻幼虫/蛹中存在的抗菌肽、中链脂肪酸和甲壳素及其衍生物等生物活性化合物也可以为动物日粮增加价值[38]。黑水虻幼虫饲料制品受高脂肪含量等因素的影响，只能部分替代传统饲料，高替代或完全替代会导致饲养动物生长性能下降。因此，需要进一步研究目标物种的营养成分、消化率，以及幼虫的处理方法等[39]。

4.2 医药和食品营养

黑水虻幼虫药用价值潜力大，经过诱导后黑水虻幼虫会产生免疫成分，如抗菌肽[40]、凝集素、溶菌酶等，在伤口坏死和清理感染方面作用显著[41]。黑水虻体内含有丰富的脂肪，且不饱和脂肪酸含量较高，磷硫元素含量要比猪、羊、牛等动物高很多，可用于食品工业中[42]。利用黑水虻虫蛹脱去的蛹壳生产的壳聚糖无毒、无味，可降解。壳聚糖能够在食品中广泛应用，可以用作食品添加剂如脱色剂、稳定剂、增稠剂、防腐剂等，还是人造肠衣、保鲜膜的原料[43]。

4.3 农业应用

黑水虻处理餐厨垃圾和畜禽粪便之后产出虫沙，可用来制作优质的有机肥并应用于牧草、果蔬种植业中。可提高土壤的活性和生物多样性，优化土壤，在农作物的生长期及时供应其所需的营养成分，促进农作物的生长发育和代谢过程，进而生产出优质的有机农产品[44]。

5.1 黑水虻虫体生物资源的开发

黑水虻幼虫自身营养价值丰富，蛋白质和脂肪含量高[45-47]。可替代蛋白资源用作动物辅助饲料，在减少家禽或鱼类生长周期和提高免疫力方面发挥重要作用[48]。其脂肪可用于制作生物柴油[49]，实现能源的生物开发。黑水虻体内的氨基酸、矿物质等营养成分种类丰富，可用来加工提取抗氧化食品、生物药剂（如抗菌肽和壳聚糖等生物制剂）[40，43]。

5.2 加强对产业副产物的利用

粮食和豆类加工厂废弃物、屠宰场废弃物等均可作为辅助物料补充底料的营养成分和改善底料的空间结构[50]，在提高黑水虻幼虫对底料转化率的同时，实现产业副产物的高效利用[51]，并且能降低黑水虻工业化生产成本，达到优化产业链的效果。

5.3 强化微生物辅助作用

在黑水虻幼虫处理有机废弃物过程中，微生物发挥着不可替代的作用，参与物料分解和肠道消化等过程[52]。通过添加外源或内源微生物来调节黑水虻体系中的微生物群落结构，使体系内的降解功能菌成为优势种群，可促进黑水虻幼虫对有机废弃物的分解转化[51]。

黑水虻虫体或其肠道菌群都是极具优势的生物转化材料，极大地减轻了有机废弃物的处理压力。转化过程中，物料理化指标的控制、微生物菌液的添加对于黑水虻的生物转化有着明显的影响；另外，肠道微生物对黑水虻的生物转化有着不可忽视的作用，极具研究价值。同时，为最大化发挥其优势，以黑水虻为技术核心，开辟有机固废处理的新领域并打开极具竞争优势的饲料原料市场是重要发展方向。昆虫生物转化技术是新兴产业，能耗低、效率高、产品附加值高，但实现规模化生产还难以实现，仍然需要技术的支撑，未来还需不断加大研发力度，推进昆虫生物转化进一步发展。

参考文献及更多内容详见：

饲料工业，2023，44（14）：28-32

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