蠅蛆：抗生素殘留的清道夫

科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)蠅蛆能夠降解環(huán)境廢棄物，是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來源。最近浙江大學(xué)張志劍副教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物還能夠降解動物糞便中的抗生素及耐藥基因。這一發(fā)現(xiàn)為解決中國飼養(yǎng)業(yè)中突出的環(huán)境問題提供了新思路。

南方周末特約撰稿 張淼

這是一項有味道的科學(xué)進(jìn)展。

“夏須甕盛泥封，勿令蠅蛆。”北魏時期，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“蛆”的最早記載。

蛆是蒼蠅的幼蟲，自古以來，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，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)的來源，便開始利用它來處理動物養(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)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物能夠降解動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對解決中國飼養(yǎng)業(yè)的突出環(huán)境問題提供新思路。

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)殖場規(guī)模越做越大，豬糞的處理成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民最大的困擾。當(dāng)時，3萬多頭生豬每天要產(chǎn)生糞便30多噸，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)刈畲蟮奈廴驹?。最終，在張志劍的幫助下，村民鄭建國通過養(yǎng)殖以糞便為食的蠅蛆，解決了豬糞處理的問題。

這是張志劍團(tuán)隊研發(fā)的“新一代蠅蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)工程”的一次實踐。

此次項目的成功，離不開人們對蠅蛆習(xí)性的科學(xué)認(rèn)識。從生態(tài)學(xué)上講，家蠅及其幼蟲均屬“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，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與環(huán)境微生物協(xié)同作用的新型生物反應(yīng)器。

事實上，一開始，研究蠅蛆的科學(xué)家們并不具備生態(tài)學(xué)的觀點，只是單純地追求蠅蛆身上優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)。長久以來，生產(chǎn)蛋白質(zhì)一直是科學(xué)家們對蠅蛆關(guān)注的重點。特別在蛋白質(zhì)飼料全球短缺的今天，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）也倡議，開展可食用昆蟲為主的“微家畜農(nóng)場”研發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)“蟲粉”替代“魚粉、豆粉及奶粉”。

1969年，美國科學(xué)家米勒（Miller B.F）在探索各類蠅蛆飼養(yǎng)環(huán)境時首次提出，蠅蛆能夠作為飼料為畜禽提供蛋白，同時養(yǎng)雞場的條件也非常有利于蠅蛆從卵長成蛹，二者可以相互利用。討論結(jié)果發(fā)表在當(dāng)年出版的《飼料》(Feedstuffs)雜志上。

也有專家指出，米勒的假設(shè)在商業(yè)上難以實現(xiàn)規(guī)模化。隨后，米勒在研究中發(fā)現(xiàn)，蠅蛆在養(yǎng)雞場中的作用遠(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”。

1974年，米勒在《英國家禽學(xué)報》（British Poultry Science）上發(fā)表了這一新發(fā)現(xiàn)。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%，同時每處理一噸糞便，能獲得新鮮蠅蛆65到90千克。這些蠅蛆的粗蛋白含量達(dá)到60%以上。

這是世界上首次采用現(xiàn)代工程技術(shù)的手段，馴養(yǎng)家蠅并利用其幼蟲蠅蛆來處理養(yǎng)雞場糞便。

隨后，米勒的這篇論文被大量引用。荷蘭、英國、西班牙等國家的動物學(xué)家及環(huán)境科學(xué)家也紛紛仿效這一成功做法，以應(yīng)對規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便污染和飼料蛋白不足的雙重問題。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蠅蛆對畜禽糞便的生物轉(zhuǎn)化首先要通過對糞便進(jìn)行破碎、翻轉(zhuǎn)、通氣等物理過程，使廢棄物充分而有效地“暴露”在蠅蛆和環(huán)境微生物中。生物學(xué)的發(fā)展則讓科學(xué)家們逐漸認(rèn)識到蠅蛆生物轉(zhuǎn)化的生化作用。

2012年，斯洛伐克科學(xué)院動物研究所研究人員海倫娜·西柯科娃（Helena Cickova）和同事們從兩個商業(yè)養(yǎng)豬場和動物技術(shù)中心獲得了三個不同來源的豬糞。研究人員隨后對這些糞便被蠅蛆降解的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)記錄，發(fā)現(xiàn)用1公斤濕的豬糞能產(chǎn)生43克至74克不等的蠅蛆，而經(jīng)過生物降解后的重量只剩下0.18至0.65公斤殘渣。這項成果發(fā)表在《公共科學(xué)圖書館·綜合》上。

根據(jù)海倫娜的研究，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。

張志劍告訴南方周末，蠅蛆的作用主要是“酶降解”?！跋x體內(nèi)臟，特別是消化系統(tǒng)分泌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶、纖維素酶、幾丁質(zhì)酶等，將廢棄物中蛋白質(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?！?/p>

進(jìn)一步地，大約三分之二的小分子有機(jī)物通過蠅蛆新陳代謝進(jìn)一步降解成二氧化碳、水及無機(jī)物質(zhì)，而約三分之一的有機(jī)物通過生長發(fā)育轉(zhuǎn)化成蠅蛆體本身。

工程化應(yīng)用

作為世界養(yǎng)殖大國，中國科學(xué)家在開展蠅蛆處理養(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%，而蠅蛆生長與新陳代謝對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，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。

2000年后，浙江省德清縣新安鎮(zhèn)村民鄭建國就從朋友那里得知了養(yǎng)殖蠅蛆的方法。他找朋友要來了一些種蠅，在相對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麩皮。

鄭建國按照生產(chǎn)經(jīng)驗了解到，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個小時即可孵化出幼蟲。喂食一點豬糞，幼蟲毫無意外地茁壯成長，經(jīng)過兩次蛻皮后慢慢化蛹，最后羽化成成蟲。這的確和科學(xué)家經(jīng)過實驗得到的結(jié)論相差不大。

不過，當(dāng)鄭建國改造了一個肥料廠房，計劃擴(kuò)大蠅蛆的生產(chǎn)規(guī)模時，卻遭遇了一次“滑鐵盧”——冬天來臨時，浙江地區(qū)的溫度只有十幾度，蠅蛆因為低溫而全部死亡。這時，鄭建國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)出的水分又因為薄膜的遮擋滴回養(yǎng)殖池中，“淹”死了本就脆弱的幼蟲。

長期從事養(yǎng)殖場廢棄物處理研究的張志劍關(guān)注到鄭建國的難題。張志劍回憶，他第一次到鄭建國養(yǎng)殖場時便意識到，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)實問題。

于是，張志劍帶領(lǐng)團(tuán)隊幫助鄭建國改用溫室大棚來養(yǎng)殖蠅蛆?！斑@是一個半封閉的環(huán)境，陽光進(jìn)來不容易散失，濕度也更容易調(diào)控?！睆堉緞Φ慕ㄗh很快見了效，從此，鄭建國成為中國第一家大規(guī)模工程蠅養(yǎng)殖戶。

在這里，特制溫室大棚取代常規(guī)磚瓦廠房，實現(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，他們還用“模塊化構(gòu)建蠅蛆技術(shù)”取代作坊式生產(chǎn)，按家蠅生活史，構(gòu)建封閉獨立的種蠅育培區(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)，確保流水線作業(yè)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各功能區(qū)的機(jī)械化，提高工程整體運(yùn)行效能。

這項工程被稱為“新一代蠅蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)工程”，如今已經(jīng)在中國長三角地區(qū)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。張志劍介紹，這項工程的測試表明，在氣溫25至28攝氏度、相對濕度65%至75%的初夏條件下，經(jīng)過平均5天的蠅蛆生長代謝及生物轉(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至120千克。

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

目前，這項技術(shù)工程在浙江德清、杭州、嘉興等地實施，年處理豬糞累計達(dá)到8.5萬噸，蠅蛆產(chǎn)量年均達(dá)到8600噸，蟲糞有機(jī)肥產(chǎn)量年均達(dá)到2.6萬噸。在生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)專家看來，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，針對微生物的研究層出不窮，這為環(huán)境科學(xué)家?guī)砹藛⑹尽?/p>

2014年，作為中科院“土壤-微生物系統(tǒng)功能及其調(diào)控”先導(dǎo)專項的首席科學(xué)家，中科院城市環(huán)境研究所研究員朱永官帶領(lǐng)團(tuán)隊，開始對中國主要類型土壤微生物組成、格局及演替規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

與此同時，張志劍也開始以微生物的視角研究蠅蛆降解廢棄物的轉(zhuǎn)化原理。在近期的一項研究中，研究人員對比了飼養(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)。

張志劍告訴南方周末：“這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?！?/p>

2012年底，上述兩位環(huán)境科學(xué)家因為對微生物的共同興趣，開始了合作實驗。他們將科學(xué)問題聚焦在養(yǎng)殖場廢棄物抗生素和耐藥基因殘留上。

抗生素過量使用及濫用已成為全球性公共健康問題。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)險不容忽視。

張志劍、朱永官帶領(lǐng)團(tuán)隊，聯(lián)合美國阿貢國家實驗室環(huán)境微生物學(xué)的杰克·吉爾伯特（Jack Gilbert）小組采用基因檢測的方法，選取了中國養(yǎng)殖業(yè)常見的9種畜牧飼料添加抗生素，對采集的豬糞進(jìn)行了分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過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。

同時，利用高通量耐藥基因芯片技術(shù)，他們在豬糞便中檢測到了158個耐藥基因，經(jīng)過蠅蛆生物轉(zhuǎn)化，其中約94個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：“蠅蛆對防控耐藥基因進(jìn)入環(huán)境系統(tǒng)的效能十分顯著?！?/p>

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。他們還從進(jìn)化學(xué)角度闡釋，蠅蛆腸道微生物有極高的“進(jìn)化選擇壓力”，這使得大部分殘留抗生素因為“不適應(yīng)”腸道環(huán)境而得到削減。

《國際微生物生態(tài)學(xué)會會刊》（《The ISME Journal》）自2015年以來陸續(xù)刊發(fā)了中國研究者圍繞蠅蛆的幾項研究。

張志劍在其中一篇論文中寫道：“蠅蛆的這一特殊功能對于防控環(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)散難題帶來新的契機(jī)?！?/p>

據(jù)了解，這項研究成果已經(jīng)開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，獲得數(shù)量可觀的蠅蛆蛋白與有機(jī)肥，這將是一個“雙贏”的方案。