黑水虻研究進展

劉宏宇喻國輝夏 嬙*

1.遵義醫(yī)學(xué)院珠海校區(qū)/貴州省免疫學(xué)研究生教育創(chuàng)新基地，廣東珠海 519041；2.廣東省珠海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，廣東珠海 519075

黑水虻研究進展

劉宏宇1喻國輝2夏 嬙1*

1.遵義醫(yī)學(xué)院珠海校區(qū)/貴州省免疫學(xué)研究生教育創(chuàng)新基地，廣東珠海 519041；2.廣東省珠海市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中心，廣東珠海 519075

黑水虻學(xué)名亮斑扁角水虻（Hermitia illucensL.），其幼蟲主要用于禽畜糞便及餐廚垃圾的處理，為目前最具應(yīng)用前景的資源昆蟲。本文主要從黑水虻的生物學(xué)特性、黑水虻生長發(fā)育影響研究、黑水虻的抗逆性研究及黑水虻的應(yīng)用研究四個方面對其進行綜述，為黑水虻無害化處理餐廚垃圾及糞便技術(shù)推廣提供文獻依據(jù)。

黑水虻；生物學(xué)特性；生長發(fā)育；抗逆性；應(yīng)用研究

黑水虻（Hermitia illucensL.），英文名稱Black soldier fly，是雙翅目水虻科扁角水虻屬研究最多的一種資源昆蟲。其幼蟲以動物糞便、腐爛的水果及蔬菜等為食，食性雜，食量大，生活史重疊，抗逆性強，在化蛹前有遷徙等習(xí)性[1]。因此，許多國家利用黑水虻幼蟲進行禽畜糞便及餐廚垃圾的無害化處理。黑水虻幼蟲無害化處理后的副產(chǎn)品亦有極高的利用及研發(fā)價值，可以加工制成動物飼料添加劑[2]提取抗菌肽[3]、提煉生物柴油[4]等。因此，黑水虻無害化處理糞便及餐廚垃圾具有較大的社會效益及經(jīng)濟效益。為了促進黑水虻無害化處理餐廚垃圾及糞便技術(shù)的推廣，本文從黑水虻生物學(xué)特性、影響黑水虻生長發(fā)育繁殖因素、抗逆性及應(yīng)用研究方面對其一一進行綜述。

1 黑水虻的生物學(xué)特性

1）卵。黑水虻的卵以卵塊形式產(chǎn)生。1個卵塊可以包含1 062個卵。卵的外形為長橢圓形，光潔并呈現(xiàn)乳白色。大小約1.4 mm×0.4 mm。卵的歷期因季節(jié)、地區(qū)和溫度差異而變化，一般4～14 d。阿根廷黑水虻的卵孵化需要4～6 d；在新西蘭的室溫下，黑水虻的卵在2月需要5 d孵化，在4月需要7～14 d孵化；黑水虻的卵在24℃需要4.3 d孵化，72 h時出現(xiàn)紅色眼點，84 h時出現(xiàn)胚胎的運動。在孵化前2 h，卵殼變得柔軟和半透明，可以清晰地辨認(rèn)出幼蟲的性狀，可以看見幼蟲的體節(jié)、主要的氣管干和著色的頭部、單眼等。孵化一般在10 min內(nèi)完成，幼蟲使用上頜鉤在卵殼上打洞，頭先從洞中出來，并利用上頜鉤幫助身體運動，由薄膜狀透明的卵殼中脫出。

2）幼蟲。幼蟲有6個齡期，通過腹部側(cè)面一排排直立剛毛和牙狀突起介導(dǎo)進行波浪狀移動。剛孵化的幼蟲呈乳白色，頭部栗色，大小約1.8 mm×0.4 mm，1～4齡幼蟲體色均為乳白色。實驗室飼養(yǎng)黑水虻在卵孵化11 d后進入5齡，蛻皮1～2 d后，表皮變得粗糙，體色黑或灰黃。卵孵化后18 d進入6齡幼蟲即預(yù)蛹，幼蟲體色完全變黑，軟毛變得長而粗糙，頭部更加幾丁質(zhì)化，單眼突出，口器簡化和固化，即使長期缺乏水分，這一齡期的幼蟲仍然能夠存活。在21～28℃的變溫環(huán)境里，預(yù)蛹可以存活2周至5個月。

3）蛹。黑水虻在幼蟲表皮蛻即圍蛹殼內(nèi)度過蛹期，蛹期在室內(nèi)恒溫下大約需要9～10 d。在化蛹前，預(yù)蛹垂直排列在飼料中，將頭部突出飼料的表面?；己螅砥ぷ兊酶訄杂?，腹部的末端兩節(jié)彎向腹面。羽化時，頭部和第一胸節(jié)的表皮蛻脫落，并在第2和3節(jié)中間裂開，便于成蟲爬出，一般產(chǎn)卵后50 d可見到第一頭成蟲羽化。21～23 mm的蛹羽化出的雌蟲較多，而17～18 mm蛹羽化出的雄蟲較多。

4）成蟲。黑水虻成蟲體型較大，體長可達13～20 mm。頭部黑色，在眼的附近有數(shù)量不等的微黃色小點，頭頂寬闊，具有2個平坦的瘤狀突起。觸角具有竹片狀的頂端，小盾板無突起，腹部第2節(jié)呈微透明的乳白色，與背面、側(cè)面和中間的黑線分離，雄蟲的白色部分較窄，雌蟲的白色部分較寬，并且延伸到頂部的邊緣，呈三角形，是脂肪體存在的場所。翅無花斑，活成蟲具有藍色的金屬光澤，死后褪色成微暗色。跗節(jié)、基節(jié)和第3脛節(jié)呈現(xiàn)出顯著的乳白色。黑水虻雌雄成蟲的觸角形狀一致，2個復(fù)眼分開，雄蟲比雌蟲小，可以通過生殖器官區(qū)分雌雄。

雄蟲比雌蟲早羽化1～2 d，成蟲在只供水的條件下可存活10～14 d。在野外，黑水虻成蟲主要依靠體內(nèi)儲存的脂肪維持生命，野生成蟲體內(nèi)脂肪含量占干物質(zhì)的35%。雌蟲羽化后2 d出現(xiàn)卵母細胞，交配后2 d產(chǎn)卵。在野外，成蟲產(chǎn)卵后體內(nèi)脂肪耗盡，即死亡。黑水虻雌蟲若不能在羽化后及時交配，將影響到卵塊的大小，因為卵母細胞會被重新吸收用于支撐呼吸作用。

5）成蟲的交配和產(chǎn)卵習(xí)性。黑水虻成蟲交配必須在光照條件下進行，雄蟲被雌蟲所吸引，交配往往發(fā)生在地上，雌蟲和雄蟲交配時以尾部相對，頭朝相反的方向。野生的黑水虻雄蟲羽化后喜歡聚集在羽化場所周圍的綠色植物上，等待雌蟲羽化。每頭雄蟲占據(jù)各自的領(lǐng)地，對入侵的雄蟲發(fā)起攻擊，但歡迎雌蟲的來訪，并抓住進入其領(lǐng)地的雌蟲交配。在野外，黑水虻成蟲通常于潮濕正在分解的有機物上或周圍的干燥縫隙中產(chǎn)卵，根據(jù)這些自然愛好，用具有褶皺孔隙的包裝箱紙板設(shè)計一種產(chǎn)卵器引誘成蟲產(chǎn)卵，解決了黑水虻人工飼養(yǎng)的一個重要技術(shù)。低溫條件不利于黑水虻產(chǎn)卵，冬季黑水虻人工繁殖時，為了提高產(chǎn)卵率，將人造植物放于室內(nèi)供黑水虻停落交配，交配率可達69%。

6）天敵。關(guān)于黑水虻天敵的研究開展較少。黑水虻的寄生蜂（Trichopriasp）屬于膜翅目錘角細蜂科，首次報道于喬治亞州南部的雞舍中，寄生于黑水虻蛹上，生活周期平均為32 d，從每個被寄生的黑水虻蛹中羽化出來的寄生蜂大約有96±21頭。夏季（6～9月）寄生率為21%～32%，冬季寄生率0%～4%。該蜂不寄生家蠅的蛹和幼蟲，雖然該寄生蜂能夠利用黑水虻的幼蟲或蛹飼養(yǎng)，但室內(nèi)觀察結(jié)果顯示，成蟲僅在黑水虻的蛹上產(chǎn)卵。

2 黑水虻生長發(fā)育影響研究

2.1 光照對黑水虻影響

光照對于黑水虻種群的繁衍尤為重要。陽光照射強度低于63 μmol/（m2·s）時，黑水虻成蟲不交配；陽光照射強度達到200 μmol/（m2·s）以上時75%的成蟲發(fā)生交配行為。研究表明，促進植物生長的Gro-Lux燈及430 W的Pro超輕型燈光系統(tǒng)照明均不能引誘成蟲產(chǎn)卵；成蟲的交配行為多發(fā)生在上午，且當(dāng)光照強度高于140 μmol/（m2·s）時成蟲交配活躍。為了尋找在冬季或陰雨天可替代太陽光的人工光源，選用碘鎢燈及稀土燈對黑水虻成蟲的交配及產(chǎn)卵進行了研究。研究表明，500 W碘鎢燈照射下黑水虻成蟲可成功交配并產(chǎn)卵，產(chǎn)卵高峰期卵量相當(dāng)于太陽光照射強度下產(chǎn)卵量的61%，孵化期、幼蟲期及蛹期生活周期與太陽光照下無顯著性差異，但稀土燈不能達到刺激黑水虻成蟲產(chǎn)卵的效果。

2.2 溫濕度對黑水虻的影響

黑水虻生長發(fā)育的適宜溫度為27～30℃，溫度過低黑水虻幼蟲取食量減少，影響其生長發(fā)育，低于26℃時成蟲不產(chǎn)卵；溫度過高可導(dǎo)致黑水虻幼蟲停止取食，甚至死亡。濕度對黑水虻的生長發(fā)育亦至關(guān)重要，濕度達到60%以上時成蟲才可產(chǎn)卵，人工飼料濕度在70%～80%之間時最適于黑水虻幼蟲生長發(fā)育。研究表明，濕度降低至50%時將會影響幼蟲體長、體重、幼蟲發(fā)育時間及羽化時間等，當(dāng)濕度降低至30%時幼蟲將不能發(fā)育至蛹，飼養(yǎng)至第13天時大部分幼蟲死亡[5]。

2.3 重金屬添加劑對黑水虻生長發(fā)育的影響

1）Zn對黑水虻生長發(fā)育影響。Zn做為生物體生長發(fā)育必需的微量元素之一，允許其在禽畜飼料中添加一定的劑量，但是由于某些人過于追求經(jīng)濟利益，使禽畜飼料中Zn含量嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)的Zn 90%～95%由糞便排出[6]。當(dāng)我們利用黑水虻幼蟲去處理禽畜糞便時，將會對黑水虻幼蟲生長發(fā)育產(chǎn)生一系列的影響，進而可能影響到黑水虻幼蟲無害化處理禽畜糞便及餐廚垃圾的能力。研究表明，當(dāng)人工飼料中Zn2+濃度達600 mg/kg時即可顯著降低5齡幼蟲、預(yù)蛹及蛹的重量，延長黑水虻幼蟲發(fā)育時間，且有世代累積效應(yīng)[7，8]。因此，黑水虻無害化處理糞便及餐廚垃圾系統(tǒng)中Zn濃度不可超過600 mg/kg。但是，當(dāng)Zn2+處理濃度為150 mg/kg時可顯著增加黑水虻幼蟲、預(yù)蛹及蛹的體重；Zn2+處理濃度為300 mg/kg時可顯著縮短幼蟲發(fā)育時間[7，8]。

2）Cu對黑水虻生長發(fā)育影響。為了提高畜禽的免疫力，國家亦允許在畜禽飼料中添加一定量的Cu，但飼料中超標(biāo)的Cu亦有90%隨糞便排出[6]，不僅對環(huán)境造成污染，而且對于處理禽畜糞便的昆蟲亦產(chǎn)生影響。研究表明，當(dāng)人工飼料中Cu2+濃度達600 mg/kg時即顯著影響黑水虻幼蟲發(fā)育及蛹的羽化，使幼蟲發(fā)育時間顯著延長，羽化率與對照相比顯著降低；Cu2+濃度達到1 200 mg/kg時可顯著延長蛹發(fā)育時間，但對其存活率、化蛹率、成蟲壽命及雌雄性比均無明顯影響[9]，可能脅迫時間尚短，僅一個世代對這些指標(biāo)的影響還未表現(xiàn)出來。

3 黑水虻抗逆性研究

黑水虻幼蟲長期生活在腐敗的有機質(zhì)環(huán)境中，為了適應(yīng)環(huán)境其幼蟲、預(yù)蛹具備了良好抗逆特性，它可以抵抗環(huán)境中多變的有害因子的侵襲，如病原微生物、高鹽、高滲透壓等。研究表明，20%的礦物油、乙醇和氯化鈉溶液對黑水虻幼蟲及預(yù)蛹基本無危害；且幼蟲對高滲透壓具有很好的抗性，在濃度為100%的礦物油中處理5 h幼蟲死亡率小于5%；預(yù)蛹可抵抗高鹽的環(huán)境，在高鹽環(huán)境下處理5 h死亡率亦小于5%[10]。

4 黑水虻應(yīng)用研究

1）黑水虻集約化處理糞便研究。研究表明，利用1 200只黑水虻幼蟲處理奶牛養(yǎng)殖場的糞便，可在21 d內(nèi)將1 248.6 g牛糞消化為273.4 g干渣；殘留下的干渣通過水解可以獲得96.2 g糖；用牛糞飼養(yǎng)后的黑水虻幼蟲利用石油醚抽提又可以提取出生物柴油，提取后的黑水虻幼蟲還可以制成蛋白飼料[11]。經(jīng)黑水虻幼蟲處理后的糞便沒有臭味、質(zhì)地疏松，肥力較好，其中，豬糞中N含量可減少55.1%、P含量減少44.1%，K含量減少52.8%、Ca含量減少56.2%，Mg含量減少41.2%[2]；利用黑水虻幼蟲處理的糞便施肥可以明顯提高牧草的產(chǎn)量。黑水虻在取食時不僅可以降低糞便的惡臭，還可有效控制家蠅的滋生，并且使糞便中大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量降低2 000倍以上。因此，在衛(wèi)生設(shè)施不健全的地方黑水虻有著卓越的貢獻，它可以減少病原微生物的數(shù)量，從而控制因為污水處理系統(tǒng)不健全而引起的腹瀉等疾病的蔓延[12]。

2）黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾研究。以腐爛蔬菜和食物的泔水喂養(yǎng)黑水虻幼蟲，可以增加氨（NH4+）的濃度。研究表明，經(jīng)幼蟲處理后泔水中NH4+含量比未經(jīng)幼蟲處理泔水中NH4+高5～6倍[4]。這5～6 倍NH4+可能來自于黑水虻幼蟲糞便中的有機氮。濃縮硝酸鹽方案中，黑水虻幼蟲同樣能促進異化性硝酸鹽還原成氨。

3）黑水虻作為動物飼料的研究。黑水虻幼蟲干物質(zhì)的粗蛋白含量達到42%～44%，粗脂肪含量為31%～35%，灰分11%～15%，鈣質(zhì)4.8%～5.1%，磷0.60%～0.63%，預(yù)蛹中還含有豐富的氨基酸和礦物質(zhì)，黑水虻幼蟲干粉與豆粕含量相近可以代替部分豆粕作為飼料或成為禽畜飼養(yǎng)的添加劑[2]。Bondari 和Sheppard研究表明，利用黑水虻新鮮幼蟲100%代替魚粉飼養(yǎng)斑點叉尾鮰和羅非魚時不能提供正常生長需要的足夠干物質(zhì)或蛋白質(zhì)的攝取量，但將新鮮幼蟲剁碎后飼養(yǎng)2種魚卻可以提高體重的增加幅度[2]。胡俊茹等對黑水虻幼蟲粉替代魚粉對黃顙魚幼魚生長性能、體組成和血清生化指標(biāo)的影響進行了研究，結(jié)果表明，黑水虻幼蟲粉替代魚粉對黃顙魚幼魚存活率無顯著影響[13]。國內(nèi)也有研究表明，對黑水虻營養(yǎng)進行分析有利于水產(chǎn)品的養(yǎng)殖，其必需氨基酸占氨基酸總量的51.07%，超過WHO/FAO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的40%。

4）黑水虻的抗菌研究。黑水虻幼蟲在自然界主要取食腐爛的有機物、動物糞便及餐廚垃圾等，取食后可減少大腸桿菌及沙門氏菌數(shù)量、減少家蠅滋生，且可消化多種病原菌。因此，其體內(nèi)應(yīng)具有強大的免疫功能。喻國輝等從野外收集和室內(nèi)飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲體表和腸道分離出同時具蛋白質(zhì)和有機磷分解能力的細菌10株，通過16S rDNA序列確定10株菌為枯草芽孢桿菌屬，它對水稻黃單胞菌有很強的抑菌活性[14]；周定中等對黑水虻腸道菌進行抗植物病原菌的研究，通過活性物質(zhì)的分子克隆鑒定初步推測其活性物質(zhì)可為脂肽Iturin和Surfactin[15]；另外，黑水虻幼蟲的腸道微生物種群在消化轉(zhuǎn)化有機質(zhì)方面起著關(guān)鍵作用。Choi等采用化學(xué)方法對黑水虻幼蟲進行浸提，分離提取出己二酸對金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌及痢疾志賀菌均有良好的抑菌效果[16]。

夏嬙等[7-9]采用不同誘導(dǎo)方法、不同誘導(dǎo)劑量及不同誘導(dǎo)時間對黑水虻幼蟲抗菌肽進行了研究。研究表明，黑水虻抗菌肽的最佳誘導(dǎo)方法是大腸桿菌菌液針刺浸泡60 s；最佳誘導(dǎo)時間為浸泡后24 h；最佳誘導(dǎo)齡期為5齡幼蟲。韓國科學(xué)家亦利用免疫后黑水虻幼蟲血淋巴提取抗菌肽，利用固相萃取和反相層析對提取出的防御素4（DLP4）進行純化，純化后DLP4具有對革蘭氏陽性菌，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抑菌效果，但此抑菌效果主要發(fā)生在脂肪體免疫后[3]。

5 展 望

利用黑水虻幼蟲集約化處理糞便及餐廚垃圾，不僅可以減少我國日益嚴(yán)重的污染問題，還可將處理糞便及餐廚垃圾的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成動物飼料、生物柴油等，做到資源最大化利用。但黑水虻幼蟲處理畜禽糞便及餐廚垃圾的技術(shù)還不成熟，尚有許多問題需要解決。如黑水虻成蟲交配必須在光照下進行，在南方的梅雨季節(jié)如何使其正常產(chǎn)卵；黑水虻幼蟲生活的適宜溫度為27℃左右，在寒冷的北方如果越冬，這些都是黑水虻無害化處理系統(tǒng)實施時需解決的問題。針對這些問題，必需加強黑水虻的基礎(chǔ)研究，尤其是黑水虻的生態(tài)學(xué)特性研究。

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2015-10-15

國家自然科學(xué)基金項目（31260528）

*通訊作者

劉宏宇，女，1985年生，碩士研究生，研究方向：資源昆蟲學(xué)。