蠅蛆是最理想的“垃圾清道夫”

張淼

“夏須甕盛泥封，勿令蠅蛆?！北蔽簳r(shí)期，賈思勰在介紹農(nóng)業(yè)技術(shù)的《齊民要術(shù)》中提到，夏天要用泥土封口的容器存放農(nóng)作物，以免生蛆。這可能是對(duì)“蛆”的最早記載。

蛆是蒼蠅的幼蟲(chóng)，自古以來(lái)，我們就把它視為污穢之物，避而遠(yuǎn)之。上世紀(jì)六十年代以來(lái)，生態(tài)與環(huán)境科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了蠅蛆不僅能降解環(huán)境廢棄物，還是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來(lái)源，便開(kāi)始利用它來(lái)處理動(dòng)物養(yǎng)殖的糞便。

最近，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院副教授張志劍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物能夠降解動(dòng)物糞便中的抗生素及耐藥基因。業(yè)內(nèi)人士指出，蠅蛆的這一新功能將會(huì)對(duì)解決中國(guó)飼養(yǎng)業(yè)的突出環(huán)境問(wèn)題提供新思路，這是一項(xiàng)有味道的科學(xué)進(jìn)展。

嗜腐性的“分解者”

2011年前后，浙江德清縣新安鎮(zhèn)的生豬養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模越做越大，如何處理豬糞成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民最大的困擾。當(dāng)時(shí)，3萬(wàn)多頭生豬每天要產(chǎn)生糞便30多噸，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)刈畲蟮奈廴驹础Ｗ罱K，在張志劍的幫助下，村民鄭建國(guó)通過(guò)養(yǎng)殖以糞便為食的蠅蛆，解決了豬糞處理的問(wèn)題。此次成功的實(shí)踐離不開(kāi)人們對(duì)蠅蛆習(xí)性的科學(xué)認(rèn)識(shí)。從生態(tài)學(xué)上講，家蠅及其幼蟲(chóng)均屬“雙翅目（Musca domestica）”，在地球生態(tài)系統(tǒng)中扮演著“分解者”的角色。多年來(lái)，正是利用這一特殊的天然屬性，科學(xué)家們將蠅蛆馴化成一種昆蟲(chóng)與環(huán)境微生物協(xié)同作用的新型生物反應(yīng)器。

事實(shí)上，一開(kāi)始，研究蠅蛆的科學(xué)家們并不具備生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)，只是單純地追求蠅蛆身上優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)。長(zhǎng)久以來(lái)，生產(chǎn)蛋白質(zhì)一直是科學(xué)家們對(duì)蠅蛆關(guān)注的重點(diǎn)。特別在蛋白質(zhì)飼料全球短缺的今天，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）也倡議，開(kāi)展可食用昆蟲(chóng)為主的“微家畜農(nóng)場(chǎng)”研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“蟲(chóng)粉”替代“魚(yú)粉、豆粉及奶粉”。

1969年，美國(guó)科學(xué)家米勒（Miller B.F）在探索各類(lèi)蠅蛆飼養(yǎng)環(huán)境時(shí)首次提出，蠅蛆能夠作為飼料為畜禽提供蛋白，同時(shí)養(yǎng)雞場(chǎng)的條件也非常有利于蠅蛆從卵長(zhǎng)成蛹，兩者可以相互利用。也有專(zhuān)家指出，米勒的假設(shè)在商業(yè)上難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?。隨后，米勒在研究中發(fā)現(xiàn)，蠅蛆在養(yǎng)雞場(chǎng)中的作用遠(yuǎn)不止提供優(yōu)質(zhì)蛋白，它更是一種處理雞糞的絕佳“反應(yīng)器”。他指出，27攝氏度和濕度為60%到75%的新鮮家禽糞便，是蠅蛆最佳的發(fā)育環(huán)境。在為期5到7天處理周期內(nèi)，蠅蛆降解糞便有機(jī)質(zhì)高達(dá)80%，同時(shí)每處理一噸糞便，能獲得新鮮蠅蛆65千克到90千克。這些蠅蛆的粗蛋白含量達(dá)到60%以上。

隨后，米勒的這篇論文被大量引用。荷蘭、英國(guó)、西班牙等國(guó)家的動(dòng)物學(xué)家及環(huán)境科學(xué)家也紛紛采用，以應(yīng)對(duì)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便污染和飼料蛋白不足的雙重問(wèn)題。

2012年，斯洛伐克科學(xué)院動(dòng)物研究所研究人員海倫娜·西柯科娃（Helena Cickova）和同事們從兩個(gè)商業(yè)養(yǎng)豬場(chǎng)和動(dòng)物技術(shù)中心獲得了三個(gè)不同來(lái)源的豬糞。研究人員隨后對(duì)這些糞便被蠅蛆降解的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)記錄。研究發(fā)現(xiàn)，蠅蛆能讓豬糞降解40%至80%。定量的數(shù)據(jù)比定性的描述讓環(huán)境科學(xué)家們感到更加興奮。

張志劍告訴記者，蠅蛆的作用主要是“酶降解”。“蟲(chóng)體內(nèi)臟，特別是消化系統(tǒng)的分泌物能將廢物中蛋白質(zhì)、脂肪及碳水化合物等有機(jī)大分子快速地降解成易溶解、易吸收的小分子有機(jī)物。進(jìn)一步地，大約三分之二的小分子有機(jī)物通過(guò)蠅蛆新陳代謝進(jìn)一步降解成二氧化碳、水及無(wú)機(jī)物質(zhì)，而約三分之一的有機(jī)物通過(guò)生長(zhǎng)發(fā)育轉(zhuǎn)化成蠅蛆體本身?！?/p>

工程化應(yīng)用

作為世界養(yǎng)殖大國(guó)，中國(guó)科學(xué)家在開(kāi)展蠅蛆處理養(yǎng)殖廢棄物的技術(shù)研究上貢獻(xiàn)良多。例如，江蘇農(nóng)科院趙偉等研究人員指出，蠅蛆處理技術(shù)可顯著減少雞糞的排放量，而用雞糞替代90%蠅蛆培養(yǎng)基（如麩皮），產(chǎn)蛆量最高。而四川農(nóng)業(yè)大學(xué)白林等研究人員則發(fā)現(xiàn)，6天中，蠅蛆能快速降低糞便惡臭，糞便總重量減少約50%，而蠅蛆生長(zhǎng)與新陳代謝對(duì)糞便的微生物好氧分解極為有利。他們提出，可直接利用這種糞便進(jìn)行堆肥化處理，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥料。

就在科學(xué)家將有關(guān)蠅蛆的理論發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者早就按捺不住想要一試身手。許多有關(guān)養(yǎng)殖蠅蛆的條件和方法從科學(xué)界口耳相傳到了生產(chǎn)一線(xiàn)。

2000年后，浙江省德清縣新安鎮(zhèn)村民鄭建國(guó)就從朋友那里得知了養(yǎng)殖蠅蛆的方法。他找朋友要來(lái)了一些種蠅，在相對(duì)密閉的空間中讓它們繁殖，并喂食紅糖、奶粉和水。蠅蛆孵化后再用一點(diǎn)麩皮。鄭建國(guó)按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)了解到，一只雌蠅一次能產(chǎn)卵約100枚，在28攝氏度的溫度下，8至10個(gè)小時(shí)即可孵化出幼蟲(chóng)。喂食一點(diǎn)豬糞，幼蟲(chóng)毫無(wú)意外地茁壯成長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)兩次蛻皮后慢慢化蛹，最后羽化成成蟲(chóng)。這的確和科學(xué)家經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論相差不大。

不過(guò)，當(dāng)鄭建國(guó)改造了一個(gè)肥料廠房，計(jì)劃擴(kuò)大蠅蛆的生產(chǎn)規(guī)模時(shí)，卻遭遇了一次“滑鐵盧”——冬天來(lái)臨時(shí)，浙江地區(qū)的溫度只有十幾度，蠅蛆因?yàn)榈蜏囟克劳?。這時(shí)，鄭建國(guó)試圖用塑料薄膜覆蓋在養(yǎng)殖池中，達(dá)到保溫的目的。但糞便中蒸發(fā)出的水分又因?yàn)楸∧さ恼趽醯位仞B(yǎng)殖池中，“淹”死了本就脆弱的幼蟲(chóng)。

長(zhǎng)期從事養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物處理研究的張志劍關(guān)注到鄭建國(guó)的難題。張志劍回憶，他第一次到鄭建國(guó)養(yǎng)殖場(chǎng)時(shí)便意識(shí)到，只有想辦法做到工程化，論文中的科學(xué)發(fā)現(xiàn)才能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

于是，張志劍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)幫助鄭建國(guó)改用溫室大棚來(lái)養(yǎng)殖蠅蛆?！斑@是一個(gè)半封閉的環(huán)境，陽(yáng)光進(jìn)來(lái)不容易散失，濕度也更容易調(diào)控。”張志劍的建議很快見(jiàn)了效，從此，鄭建國(guó)成為中國(guó)第一家大規(guī)模工程蠅養(yǎng)殖戶(hù)。

在這里，特制溫室大棚取代常規(guī)磚瓦廠房，實(shí)現(xiàn)了最佳的蠅蛆養(yǎng)殖與廢棄物轉(zhuǎn)化所需的環(huán)境溫度15至30攝氏度、相對(duì)濕度45%至75%、光照及通風(fēng)，并在幾乎不消耗能源的條件下確保蠅蛆工廠像蔬菜大棚一樣全季節(jié)運(yùn)行。同時(shí)，他們還構(gòu)建了封閉獨(dú)立的種蠅育培區(qū)、蠅卵孵化區(qū)、廢棄物蠅蛆生物轉(zhuǎn)化區(qū)、蛆-堆體分離區(qū)、蠅蛆初加工區(qū)等功能區(qū)，確保流水線(xiàn)作業(yè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各功能區(qū)的機(jī)械化，提高工程整體運(yùn)行效能。

這項(xiàng)工程被稱(chēng)為“新一代蠅蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)工程”，如今已經(jīng)在中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。張志劍介紹，這項(xiàng)工程的測(cè)試表明，在氣溫25至28攝氏度、相對(duì)濕度65%至75%的初夏條件下，經(jīng)過(guò)平均5天的蠅蛆生長(zhǎng)代謝及生物轉(zhuǎn)化后，豬糞總重量、干物質(zhì)及水分去除率平均達(dá)到67%、21%和80%，每噸豬糞將收獲新鮮蠅蛆95千克至120千克。

同時(shí)，將蠅蛆轉(zhuǎn)化后的豬糞殘?jiān)?jīng)過(guò)15至20天的堆肥工藝后，還可得到腐熟的蟲(chóng)糞有機(jī)肥。

目前，這項(xiàng)技術(shù)工程在浙江德清、杭州、嘉興等地實(shí)施，年處理豬糞累計(jì)達(dá)到8.5萬(wàn)噸，蠅蛆產(chǎn)量年均達(dá)到8600噸，蟲(chóng)糞有機(jī)肥產(chǎn)量年均達(dá)到2.6萬(wàn)噸。在生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)專(zhuān)家看來(lái)，將蠅蛆加入養(yǎng)殖業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)后，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都相當(dāng)可觀。

清理抗生素殘留

近年來(lái)，針對(duì)微生物的研究層出不窮，這為環(huán)境科學(xué)家?guī)?lái)了啟示。在近期的一項(xiàng)研究中，研究人員對(duì)比了飼養(yǎng)蠅蛆前后的豬糞后發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物顯著地“改造”了豬糞的微生物種群結(jié)構(gòu)，成為以變形桿菌（Proteobateria）為主的種群結(jié)構(gòu)?！斑@使得我們最終能夠更高效地協(xié)同降解有機(jī)物、控制惡臭氣體及防控病源微生物?！睆堉緞Ω嬖V記者。

當(dāng)今世界，抗生素過(guò)量使用及濫用已成為全球性公共健康問(wèn)題。畜禽糞便作為有機(jī)肥料施入農(nóng)田，存在著殘留抗生素、耐藥基因在環(huán)境中擴(kuò)散的巨大隱患，由此造成的環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，于是科學(xué)家們將科學(xué)問(wèn)題聚焦在養(yǎng)殖場(chǎng)廢棄物抗生素和耐藥基因殘留上。張志劍以及中科院朱永官等科學(xué)家采用基因檢測(cè)的方法，選取了中國(guó)養(yǎng)殖業(yè)常見(jiàn)的9種畜牧飼料添加抗生素，對(duì)采集的豬糞進(jìn)行了分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)6天蠅蛆轉(zhuǎn)化后，豬糞中四環(huán)素、土霉素、金霉素、磺胺嘧啶以及環(huán)丙沙星等5種抗生素的含量比豬糞原樣顯著下降三成至七成。而強(qiáng)力霉素、諾氟沙星、氧氟沙星等3種抗生素殘留也呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，利用高通量耐藥基因芯片技術(shù)，他們?cè)谪i糞便中檢測(cè)到了158個(gè)耐藥基因，經(jīng)過(guò)蠅蛆生物轉(zhuǎn)化，其中約94個(gè)耐藥基因的豐度減少了85%。

這兩組數(shù)據(jù)足以讓科學(xué)家們得出結(jié)論：“蠅蛆對(duì)防控耐藥基因進(jìn)入環(huán)境系統(tǒng)的效能十分顯著。”

進(jìn)一步的生物信息學(xué)分析表明，正是蠅蛆腸道的“微環(huán)境”發(fā)揮了作用——顯著降低了豬糞中大量潛在的耐藥病原菌。張志劍在其中一篇論文中寫(xiě)道：“蠅蛆的這一特殊功能對(duì)于防控環(huán)境殘留抗生素污染及其耐藥基因擴(kuò)散具有重要意義，為解決全國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗生素殘留污染及其耐藥基因擴(kuò)散難題帶來(lái)新的契機(jī)?！?/p>

據(jù)了解，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)開(kāi)始在位于浙江的幾家生豬養(yǎng)殖企業(yè)嘗試工程化應(yīng)用。

“以廢治廢”是環(huán)境科學(xué)家的追求之一。他們期待，蠅蛆在廢棄物生物轉(zhuǎn)化與降解的同時(shí)，獲得數(shù)量可觀的蠅蛆蛋白與有機(jī)肥，這將是一個(gè)“雙贏”的方案。