我國(guó)利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

李 逵，楊啟志，雷朝亮，朱 芬*

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北省利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物國(guó)際科技合作基地，武漢 430070；2. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

我國(guó)利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

李 逵1，楊啟志2，雷朝亮1，朱 芬1*

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北省利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物國(guó)際科技合作基地，武漢 430070；2. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

畜禽糞便、廚余垃圾、秸稈等有機(jī)廢棄物排放量超過環(huán)境容量，會(huì)造成生態(tài)污染,影響人類的生活。利用昆蟲處理有機(jī)廢棄物，既可以實(shí)現(xiàn)減量，又可以獲得昆蟲產(chǎn)品及生物有機(jī)肥，符合環(huán)境污染治理的基本原則。本文綜述了有機(jī)廢棄物的污染、生物處理方法、利用昆蟲處理的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的瓶頸問題及未來的重要發(fā)展方向。

有機(jī)廢棄物；昆蟲轉(zhuǎn)化；畜禽糞便；廚余垃圾

有機(jī)廢棄物主要包括餐廚垃圾、畜禽糞便、植物殘余物、動(dòng)物尸體等，過量的有機(jī)廢棄物會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，造成污染。有機(jī)廢棄物露天堆放或直接填埋，需要占據(jù)耕地或城市建設(shè)用地，使土地短缺更嚴(yán)重。因此，運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建腐生生物鏈?zhǔn)前l(fā)展畜牧業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、減輕環(huán)境污染的重要舉措，是實(shí)現(xiàn)低碳畜牧和資源循環(huán)再利用的關(guān)鍵。利用腐生性昆蟲的取食行為轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物，收獲的昆蟲蛋白回歸動(dòng)物飼料，蟲糞作為有機(jī)肥回歸農(nóng)田，這一處理方式符合資源化、減量化、無害化、生態(tài)化這一污染治理原則。本文分析了我國(guó)有機(jī)廢棄物污染現(xiàn)狀及治理措施，總結(jié)了利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的研究現(xiàn)狀，思考并展望了利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的發(fā)展瓶頸及可能的解決策略。

1 有機(jī)廢棄物污染現(xiàn)狀及生物治理措施

1.1 有機(jī)廢棄物的污染現(xiàn)狀

餐廚垃圾是城市垃圾的主要組成部分之一且數(shù)量巨大。據(jù)武漢市城管委調(diào)查，2015年武漢市僅主城區(qū)每天餐廚垃圾產(chǎn)生量約為1105 t。餐廚垃圾的危害不容小覷。第一，餐廚垃圾因其豐富的有機(jī)質(zhì)含量，極易滋生病原微生物。在自然狀態(tài)下放置24 h后，每克餐廚垃圾中細(xì)菌含量即可達(dá)到3.2×108個(gè)單位，其中大腸桿菌含量可達(dá)4.3×105cfu/g，酵母菌含量達(dá)107cfu/g，另外還有數(shù)量巨大且繁殖快速的霉菌，如黃曲霉菌等(曾憲興等，2007)。大腸桿菌可導(dǎo)致仔豬的黃痢病、白痢病、腹瀉和水腫病等(陳祥等，2008)，以及人類的腸炎和泌尿系統(tǒng)感染等腸道外感染(Zhang, 2000; Petrietal., 2008)；黃曲霉菌產(chǎn)生的黃曲霉素對(duì)人畜有極強(qiáng)毒性和致癌性(Clifford and Rees, 1967; Ross, 1992)。第二，餐廚垃圾還會(huì)產(chǎn)生乙醇、乙醛、乙酸乙酯、甲硫醇、檸檬烯、二甲二硫醚等氣味物質(zhì)，其中二甲二硫醚和甲硫醇是惡臭污染物排放受控物質(zhì)，惡臭物質(zhì)總濃度最高時(shí)達(dá)到25.039 mg/m3(王攀等，2014)。第三，餐廚垃圾還會(huì)招致鼠蟲蚊蠅，傳播疾病。

隨著畜禽養(yǎng)殖的廣泛展開，隨之而來的畜禽糞便的處理問題越發(fā)棘手。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，截止2015年我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量已達(dá)1×106萬 t。畜禽糞便首先易造成富營(yíng)養(yǎng)化，由于強(qiáng)淋溶性會(huì)有30%進(jìn)入水體，造成地下水的硝酸鹽和磷素污染和地表水富營(yíng)養(yǎng)化，彭里(2004)的調(diào)查結(jié)果顯示，重慶市有約63%的大中型水庫(kù)開始出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。其次，畜禽糞便中重金屬超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)有報(bào)道，如謝忠雷等(2011)的研究表明，在吉林地區(qū)豬糞中Zn、Cu含量的平均值為381.8 mg/kg、243.6 mg/kg，自然堆放時(shí)，這兩種重金屬都會(huì)明顯向土壤遷移并積累。第三，畜禽糞便中有多種有害微生物，如鏈球菌、雙歧桿菌、乳桿菌、芽孢桿菌和酵母菌等(賴國(guó)旗等，1997)。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)排放的每毫升污水中，有33萬個(gè)大腸桿菌和69萬個(gè)大腸球菌，每1000 mL有190多個(gè)蛔蟲卵和1000多個(gè)線蟲卵(刁治民等，2004)。第四，畜禽糞便多具有惡臭，主要包括氨、硫化氫、酚類、硫醇類、糞臭素等臭味物質(zhì)(Rosenfeld, 2004)，長(zhǎng)期處在氨氣、硫化氫環(huán)境中時(shí)，可引起人的呼吸道疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病(Kassetal., 1972; 肖航等，2005；趙紅宇等，2009)。

植物殘余物以農(nóng)作物秸稈為主。我國(guó)植物殘余物僅農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量已超過10萬 t。農(nóng)作物秸稈燃燒后生成氮氧化物和碳氧化物(含碳組分是PM2.5的主要組成)，露天燃燒時(shí)，秸稈碳氧化物排放因子最高可到34.3 g/kg，氮氧化物排放因子最高可到1.42 g/kg(唐喜斌等，2014)，這些污染物直接導(dǎo)致霧霾天氣并造成人中毒和呼吸道感染，甚至肺癌(邱榕和范維澄，2001a，2001b；陳仁杰和闞海東，2013)。秸稈焚燒還會(huì)產(chǎn)生二噁英類物質(zhì)，二噁英類物質(zhì)是公認(rèn)的劇毒物質(zhì)和致癌物質(zhì)(Changetal., 2014)。

1.2 有機(jī)廢棄物污染的生物治理

生物處理主要涉及微生物、蚯蚓及昆蟲等。利用微生物處理有機(jī)廢棄物，不僅可以獲得有機(jī)肥料，由于微生物大量繁殖，還可制備微生物菌體生物蛋白。餐廚垃圾和米糠以5 ∶1的比例混合堆肥時(shí)達(dá)到最佳效果，20 d即可完全腐熟(王曉君等，2016);玉米秸稈在最佳溫濕度條件下33 d就可完成腐熟(王瑤等，2013)。餐廚垃圾在釀酒酵母、枯草芽孢桿菌和黑曲霉的共同作用下，48 h的發(fā)酵產(chǎn)物蛋白含量提高58.7%，粗纖維含量降低58.2%，必需氨基酸增加95.9%(蔡靜等，2015)；稻草經(jīng)霉菌與酵母多菌種混合發(fā)酵84 h后，產(chǎn)生21.51%粗蛋白，纖維素和半纖維素含量分別降低42.31%和31.45%。利用微生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物還可生產(chǎn)能源物質(zhì)，如氫、沼氣、乙醇等(宋玉，2011；劉愛民等，2013；孫保劍等，2014；楊貴運(yùn)等，2015；朱洪艷等，2015)。

蚯蚓可將廢棄物中的有機(jī)物變成腐殖質(zhì)而用于堆肥。經(jīng)蚯蚓處理過的城市有機(jī)垃圾，質(zhì)量減少69.8%，生物降解率為75.0%(馮磊等，2006)，處理后的堆肥中，速效氮、速效磷和速效鉀含量指標(biāo)均變高，有機(jī)質(zhì)含量下降(王惠敏等，2011)。蚯蚓堆肥是一種很高效的有機(jī)肥料，對(duì)植物的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量均有積極作用(曹瑞琪，2013；李繼蕊等，2013)。生產(chǎn)的蚯蚓可作為藥材、餌料、飼料資源用(王德鳳等，2014；郭立忠，2015；鐘杰等，2016)。

部分昆蟲可以高效率轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物，尸食性昆蟲如埋葬甲、皮蠹等，腐食性昆蟲如蜣螂、黑水虻和蠅蛆，這些昆蟲喜食自然界中的動(dòng)物尸體、畜禽糞便和腐敗植物組織。與其他生物種類相比，昆蟲生長(zhǎng)繁殖快，對(duì)廢棄物的轉(zhuǎn)化率高，因此適合用來處理有機(jī)廢棄物。

2 利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的現(xiàn)狀

目前研究和利用較為成熟的包括家蠅Muscadomestica，大頭金蠅Chrysomyiamegacephala，黑水虻HermetiaillucensL，白星花金龜ProtaetiabrevitarsisLewis，黃粉蟲Tenebriomolitor等。

家蠅在已經(jīng)開始應(yīng)用的三千余種昆蟲中，具有世代歷期短、繁殖指數(shù)高、便于人為控制、適于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，屬于可更新資源。蠅蛆蛋白質(zhì)含量為59.39%，必需氨基酸含量占總氨基酸含量的44.09%；不飽和脂肪酸占脂肪酸總量的64.5%，VB1含量為19.5 mg/100 g、VB2含量為282.27 mg/100 g(雷朝亮，2015)，還含有17種微量元素和多種生物活性物質(zhì)，特別是對(duì)高等動(dòng)物及人體生命活動(dòng)具有重要功能的微量元素(鋅4.40 mg/kg、鈣31.12 mg/kg、硒0.18 mg/kg、鍺0.005 mg/kg)含量極高(王達(dá)瑞等，1991)。利用家蠅分解農(nóng)副產(chǎn)品下腳料、轉(zhuǎn)化畜禽糞便和有機(jī)廢棄物，再生高蛋白質(zhì)產(chǎn)品，具有重大的開發(fā)利用潛力。家蠅的幼蟲即蠅蛆處理豬糞可使豬糞干物質(zhì)量減少31.14%，總重減少53.04%(白林等，2007)。蠅蛆處理豬糞和雞糞只需用5 d，每1 kg蠅蛆在成蛹前，能轉(zhuǎn)化10-12 kg豬糞或4-6 kg雞糞，處理結(jié)束時(shí)豬糞和雞糞的重量分別減少約43.81%和26.89%。豬糞和雞糞經(jīng)蠅蛆處理后，糞肥含水量降低，質(zhì)地蓬松，顆粒細(xì)小。處理后的糞肥與處理前相比，豬糞的全氮和全磷含量分別下降35.76%和10.22%，雞糞的全氮和全磷含量分別下降60%和16.4%(龍坤，2014)。

趙福等(2006)測(cè)定的大頭金蠅幼蟲蛋白質(zhì)含量為63.72%，蛹則高達(dá)76.81%。陳黎(2012)用豬糞飼養(yǎng)大頭金蠅，從卵發(fā)育到蛹需要約9 d。大頭金蠅幼蟲能很好地處理廚余垃圾，包括其中難處理的油脂。胡新軍(2012)的研究表明，用幼蟲處理1 t餐廚垃圾轉(zhuǎn)化料，減量化效果100%，油脂減量約46%，得到0.29 t有機(jī)肥和老熟幼蟲118.7 kg，粗蛋白和粗油脂含量約占幼蟲干重的50%和25%-30%。

黑水虻成蟲壽命短、幼蟲歷期長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物效果顯著，還會(huì)滅活大腸桿菌和沙門氏菌(Erickson, 2004)。周芬(2009)的試驗(yàn)表明，經(jīng)武漢品系的黑水虻幼蟲處理過的豬糞、雞糞、牛糞干重分別減少53.4%、61.7%、57.8%，3種糞便每100 g(干重)分別可產(chǎn)生幼蟲16.90 g、12.50 g、10.96 g(干重)。楊森(2010)的研究中豬糞經(jīng)黑水虻處理后減重51.0%，得到的蟲體干重最高可占轉(zhuǎn)化前糞便干重的15%，而Newton等(2005)的研究結(jié)果為56%。餐廚垃圾經(jīng)黑水虻處理，其減重率可高達(dá)到70%左右，轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到約40%(劉學(xué)林，2011)。將黑水虻用6種培養(yǎng)基質(zhì)養(yǎng)殖，分別為家禽飼料、豬肝、糞便、廚余垃圾、瓜果蔬菜肥料和魚棄物，在實(shí)驗(yàn)條件下，處理廚余垃圾的黑水虻長(zhǎng)勢(shì)最好，增重和生長(zhǎng)優(yōu)于其他組，處理豬糞的黑水虻增重和生長(zhǎng)要慢(Nguyenetal., 2013, 2015)。

白星花金龜轉(zhuǎn)化后的有機(jī)廢棄物干燥無異味，慪制腐熟快，最主要的優(yōu)點(diǎn)是白星花金龜糞便呈顆粒狀，免除了后續(xù)的成型步驟。幼蟲對(duì)秸稈有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)化力，秸稈發(fā)酵25 d后，白星花金龜對(duì)其的轉(zhuǎn)化率高達(dá)63.82%±30.90%，利用率達(dá)到17.51%±8.5%(楊誠(chéng)等，2015)。在劉玉升和張大鵬(2015)的研究中，18.75 kg的發(fā)酵玉米秸稈可生產(chǎn)1.00 kg的白星花金龜幼蟲。

利用黃粉蟲處理牛糞3 d，能達(dá)到100%的轉(zhuǎn)化率(宋志剛等，2001)；黃粉蟲飼料中添加55%酵化雞糞時(shí)增重效果顯著(熊曉莉等，2013)。黃粉蟲也可以處理廚余垃圾，在最適條件下，黃粉蟲對(duì)廚余垃圾的利用率為38.88%，此時(shí)飼料含14.5%水分，廚余垃圾中營(yíng)養(yǎng)全面且豐富，所以能夠保證黃粉蟲生長(zhǎng)發(fā)育不受營(yíng)養(yǎng)成分的制約(陳美玲等，2015)。用西瓜皮、香蕉皮等這些廢棄物作為黃粉蟲飼料添加物時(shí)，養(yǎng)殖效果要優(yōu)于麥麩加面粉對(duì)照，且以50%添加時(shí)增重最明顯，發(fā)育最快(卓少明和劉聰，2009)。

3 利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的瓶頸問題及發(fā)展策略

有機(jī)廢棄物的特性，限制了其利用昆蟲轉(zhuǎn)化的規(guī)?；潭?。首先，畜禽糞便、秸稈、餐廚垃圾都存在分布零散且產(chǎn)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。例如，2012年江西省養(yǎng)殖規(guī)?！?0000頭的養(yǎng)豬場(chǎng)只有258個(gè)，3萬頭以下規(guī)模的占60%(范敏等，2013)。有機(jī)廢棄物的規(guī)模化處理需要使其聚集，而聚集的過程會(huì)增加處理成本，加重生產(chǎn)主體的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且，畜禽糞便在運(yùn)輸過程中也容易產(chǎn)生二次污染。第二，部分民眾的垃圾分類意識(shí)薄弱，垃圾分類程度底。有機(jī)廢棄物匯集之后需初步分揀與均質(zhì)化，如餐廚垃圾中?；煊欣?、玻璃瓶等雜物，高含水量廢棄物的初步瀝水，都會(huì)使成本增加。第三，我國(guó)關(guān)于利用昆蟲處理有機(jī)廢棄物的法律還不夠健全。比如在餐廚垃圾處理問題上，至今都沒有一部全國(guó)性的、系統(tǒng)的法律法規(guī)，只是在《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》、《城市市容和環(huán)境衛(wèi)生處理?xiàng)l例》、《城市市容和環(huán)境衛(wèi)生處理?xiàng)l例》中有所提及或限于一些地方性法律中，關(guān)于利用昆蟲處理有機(jī)廢棄物的法律更是鮮有。第四，傳統(tǒng)不良處理方式仍較盛行。有機(jī)廢棄物生產(chǎn)主體自律意識(shí)薄弱，無視規(guī)定或鉆法律空子，而且監(jiān)管較困難，表現(xiàn)為監(jiān)管部門及其責(zé)任不明確。秸稈焚燒屢禁不止，泔水直接作為飼料的現(xiàn)象仍較普遍，用于煉制地溝油、加工黑豬血的報(bào)道也屢見不鮮。第五，其它新興技術(shù)的應(yīng)用替代傳統(tǒng)處理方式。隨著機(jī)械化水平的提高，作物秸稈可在收獲的同時(shí)或收獲后經(jīng)過粉碎直接還田，但這會(huì)增加種植戶的種植成本，也會(huì)加重農(nóng)民負(fù)擔(dān)。

昆蟲人工大規(guī)模擴(kuò)繁技術(shù)仍較欠缺，導(dǎo)致可利用昆蟲種類不多。在已知的100萬種昆蟲中腐生性種類約占17.3%，如雙翅目的蠅類、虻類和蚊類，鞘翅目的金龜甲科、埋葬甲科和隱翅甲科，等翅目的白蟻等。雙翅目的昆蟲處理有機(jī)廢棄物有多種優(yōu)勢(shì)，但目前仍有不足，主要的困難在大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)問題，例如如何誘導(dǎo)成蟲產(chǎn)卵(Cˇ icˇ kováetal., 2015)。家蠅的成蟲容易從飼養(yǎng)空間中逃出，應(yīng)加強(qiáng)防逃研究；大頭金蠅成蟲需要足量的補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)才能繁殖后代(李勝振，2016)；黑水虻成蟲常需要在陽(yáng)光下才能交配繁殖后代(Zhangetal., 2010)；淤泥、沼渣等尚缺乏高效處理的生物材料，這些都是利用昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物發(fā)展亟待解決的瓶頸問題。

有機(jī)廢棄物本身攜帶多種污染物，但我國(guó)目前對(duì)其污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估薄弱(劉蕊等，2014)。有機(jī)廢棄物中可能含有真菌、細(xì)菌、病毒、獸藥、農(nóng)藥、重金屬等，這些污染物進(jìn)入昆蟲體內(nèi)如果不能被分解或完全排出，會(huì)隨著蟲體進(jìn)入下一個(gè)能量級(jí)，但有機(jī)廢棄物的檢測(cè)及利用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估環(huán)節(jié)仍較薄弱，有機(jī)廢棄物能否被昆蟲直接利用、生產(chǎn)的昆蟲及昆蟲產(chǎn)品是否安全的評(píng)價(jià)體系不太完善。因此加強(qiáng)評(píng)價(jià)方法、快速檢測(cè)方法的研究，以及加強(qiáng)源頭管理成為待解決的問題。

高附加值產(chǎn)品研發(fā)還需加強(qiáng)。昆蟲體內(nèi)含有多種活性物質(zhì)，可作為保健品或藥品原料，如抗菌肽、殼聚糖、斑蝥素等。昆蟲體內(nèi)脂肪的含量一般不低于干重的10%，有的可以達(dá)到77.16%，脂肪酸組成合理，其中60%左右為不飽和脂肪酸，有的甚至占80%。昆蟲產(chǎn)品如蛋白產(chǎn)品、食用油脂、生物燃油等，還有很大開發(fā)空間，加強(qiáng)昆蟲高附加值產(chǎn)品的研發(fā)將使昆蟲發(fā)揮更高的價(jià)值。

基于昆蟲轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)窃擃I(lǐng)域未來的重要發(fā)展方向。有機(jī)廢棄物無害化處理越來越受到人們關(guān)注。昆蟲處理產(chǎn)生污染小，而且處理快速、徹底，處理的整個(gè)過程中的產(chǎn)物都是寶。廢棄物養(yǎng)昆蟲，昆蟲及昆蟲產(chǎn)品食用或飼用，昆蟲處理后的剩料作有機(jī)肥，產(chǎn)生的廢棄物又可以飼養(yǎng)昆蟲，可形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，這將是未來昆蟲處理有機(jī)廢棄物的重要發(fā)展方向。

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Status and prospects of the transformation of organic wastes by insects in China

LI Kui1, YANG Qi-Zhi2, LEI Chao-Liang1, ZHU Fen1 *

(1. Hubei International Scientific and Technological Cooperation Base of Waste Conversion by Insects, College of Plant Science and Technology， Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. School of Agricultural Equipment Engineering, Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China)

Livestock manure, kitchen waste, straw and other organic waste emissions over the environmental capacity, could cause ecological pollution, and subsequently affects the human life. Organic waste conversion by insects can realize mass reduction and harvest insects and bio-fertilizer, which will be a promising method for environmental pollution management. Here, the pollution and present controlling methods of organic waste and the progress of organic waste treatment with insects were reviewed, and the bottleneck issues and future fields of the transformation of organic wastes were discussed.

Organic waste; insect transformation; livestock manure; kitchen waste

國(guó)家自然科學(xué)基金(51675239)；歐盟第七框架協(xié)議項(xiàng)目(034082)；中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金(2014PY059)

李逵，男，1991年生，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向?yàn)槔ハx多樣性與資源利用，E-mail: kui_555@126.com

*通訊作者Author for correspondence, E-mail: zhufen@mail.hzau.edu.cn

Received: 2016-10-18; 接受日期Accepted: 2017-02-24

Q968

A

1674-0858(2017)02-0453-07

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