黑水虻幼蟲生長發(fā)育速度的影響因素

蔡影峰,邢斯程,廖新俤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510642)

黑水虻(Black soldier fly,BSF)，學(xué)名光亮扁角水虻，亮斑扁角水虻，它起源于美洲，目前在熱帶亞熱帶地區(qū)和大多數(shù)的暖溫地區(qū)均有分布[1]。當(dāng)前，黑水虻在畜禽糞便處理、動物飼料、醫(yī)藥以及生物石油等領(lǐng)域都獲得了較大的研究進(jìn)展，尤其是針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)，通過黑水虻的資源化利用可以有效降低養(yǎng)殖污染物的排放，減輕環(huán)境污染[2]。它為廢物的生物循環(huán)利用提供了一種具有潛在經(jīng)濟(jì)效益的選擇[3]。影響黑水虻生長發(fā)育的主要因素有兩類：環(huán)境與生物因素；本研究主要綜述了兩大因素對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響，并總結(jié)出一種理想的規(guī)?；B(yǎng)殖黑水虻幼蟲的方式。

1 黑水虻幼蟲的生物學(xué)特性

黑水虻一般經(jīng)歷4個(gè)生長周期，分別是卵期、幼蟲期、蛹期和成蟲期，整個(gè)周期35 d左右(圖1)[4]。成蟲產(chǎn)卵后，蟲卵在適宜條件下約4 d孵育為初孵幼蟲，大小1.4 mm左右，為乳白色蟲體。黑水虻幼蟲期可達(dá)15 d，幼蟲期共分為六個(gè)齡期[5]，低齡幼蟲呈乳白色，體色隨天齡而逐漸加深，最終變?yōu)樯詈稚?。在適宜條件下，1～3日齡幼蟲需經(jīng)歷3 d，3日齡幼蟲之前，幼蟲個(gè)體很小，采食量小。

3日齡幼蟲后，采食量增加，生長發(fā)育加速，個(gè)體快速增大，6日齡后可進(jìn)入預(yù)蛹期(末齡幼蟲)，此時(shí)變?yōu)樯詈稚?，體長可達(dá)20 mm左右。在較差的生長環(huán)境中，幼蟲到達(dá)預(yù)蛹期可能需要10～20 d，預(yù)蛹期不再進(jìn)食，主動離開食物。成年黑水虻會汲取果汁等以維持營養(yǎng)[6]。蛹期大約持續(xù)15 d左右，呈暗棕色，蛹?xì)?jiān)硬，不能活動。成蟲期約10 d，體長15～20 mm，體色為黑色，帶有藍(lán)色金屬光澤。成蟲口器退化，棲息于綠色植物葉片之間，不再進(jìn)食。雄成蟲與雌成蟲的交配需要陽光來誘導(dǎo)，交配時(shí)間約20～30 min，交配后2～3 d產(chǎn)卵[7]。

2 黑水虻幼蟲的應(yīng)用

2.1 黑水虻幼蟲處理畜禽糞便

黑水虻最主要的用途之一為將畜禽糞便作為生長營養(yǎng)物質(zhì)，能夠?qū)⒓S便轉(zhuǎn)化為可供農(nóng)業(yè)種植利用的生物質(zhì)。Newton等[8]在2005年發(fā)現(xiàn)利用黑水虻處理豬糞具有可行性，處理后豬糞質(zhì)量降低了56%，大部分元素和營養(yǎng)物質(zhì)的濃度降低了40%～55%。利用黑水虻幼蟲處理奶牛糞便，21 d內(nèi)可將1248.6 g牛糞消化成273.4 g干渣[9]。黑水虻處理畜禽糞便除了可生成有用的生物質(zhì)，還能一定程度上降低畜禽糞便中存在生物風(fēng)險(xiǎn)的物質(zhì)，例如致病菌、抗生素和耐藥基因。研究表明，黑水虻幼蟲通過取食過程，可以降低糞便惡臭的排放，并且可以大幅降低糞便中的大腸桿菌和沙門氏菌數(shù)量[10]；同時(shí)黑水虻幼蟲可以在12 d內(nèi)快速降解約97%的四環(huán)素[11]；相比傳統(tǒng)堆肥，用黑水虻幼蟲處理糞肥12 d內(nèi)可有效減少95%的耐藥基因，同時(shí)使攜帶耐藥基因的厚壁菌門減少65.5%，有效降低攜帶耐藥基因的風(fēng)險(xiǎn)[12]。綜上所述，黑水虻處理畜禽糞便的優(yōu)點(diǎn)值得開發(fā)拓展，然而黑水虻的日齡卻是影響其有效處理糞便的重要因素之一。馬加康等[13]研究黑水虻幼蟲對新鮮鴨糞的處理能力及糞便的轉(zhuǎn)化效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)4日齡幼蟲處于較小的階段，對營養(yǎng)需求量大，體重增加迅速，并且在10日齡時(shí)幼蟲日增重達(dá)到最大值，幼蟲發(fā)育基本完全，對飼料的利用率以及轉(zhuǎn)化率達(dá)到了最大化。10～15日齡幼蟲采食量減少，日增重減緩。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布的數(shù)據(jù)顯示，目前全國畜禽糞污年產(chǎn)生量約38×108t，其中畜禽直接排泄的糞便約18×108t，養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的污水量約20×108t[16]。因此，可以充分利用黑水虻幼蟲4～10日齡這段快速生長發(fā)育時(shí)間，高效地針對畜禽糞便實(shí)現(xiàn)變廢為寶。

圖1 黑水虻各階段形態(tài)圖卵期(A)、幼蟲期(B)、蛹期(C)、成蟲期(D)[4,14-15]Fig.1 Black soldier fly at different stagesEgg stage(A), Larva stage (B), Pupa stage (C),Adult stage (D)[4,14-15]

2.2 黑水虻幼蟲作為飼料蛋白原料的營養(yǎng)價(jià)值

黑水虻具有生物量大，吸收轉(zhuǎn)化率高，蟲體營養(yǎng)成分高等特點(diǎn)，其幼蟲蛋白質(zhì)、粗脂肪、礦物質(zhì)含量都很高[17]。黑水虻幼體蛋白質(zhì)含量為47.3%，脂肪32.6%，灰分7%，氨基酸態(tài)氮280 mg/100 g，膽固醇172.7 mg/100 g，維生素B1 0.235 mg/100 g，并且證明了采食生活廢物的黑水虻幼蟲可以作為畜禽飼料使用[18]。2013年，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)頒布《可食用昆蟲報(bào)告》中，將黑水虻作為最主要的蛋白飼料替代昆蟲。目前，黑水虻幼蟲應(yīng)用于動物飼料，可以通過蟲糜、蟲干、蟲粉、蟲油等方式[1]。研究發(fā)現(xiàn)，幼蟲在14～16 d的發(fā)育過程中，單個(gè)黑水虻幼蟲的干物質(zhì)含量約增加了4000倍，粗蛋白和粗脂肪絕對含量在預(yù)蛹期迅速增加，達(dá)到最高水平[19]。因此，預(yù)蛹期黑水虻更適合作為畜禽飼料，準(zhǔn)確收集預(yù)蛹期黑水虻，可以更有效地發(fā)揮幼蟲作為飼料的營養(yǎng)價(jià)值。

3 影響黑水虻幼蟲生長發(fā)育的因素

3.1 環(huán)境因素

3.1.1 光照強(qiáng)度對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響 趙竟伽等[20]發(fā)現(xiàn)，在自然光照，黑暗條件，以及4種不同人工光照強(qiáng)度的碘鎢燈下(500 Lux、1 000 Lux、1 500 Lux、2 000 Lux)，在人工光照強(qiáng)度為1 000 Lux時(shí)黑水虻6齡幼蟲的體重和體長達(dá)到峰值，在人工光照強(qiáng)度2 000 Lux下幼蟲生長發(fā)育受阻，其體長和體重較自然光照和黑暗條件下都小。同時(shí)，在分別用自然光照和碘鎢燈人工光照作用于成蟲交配并且發(fā)生產(chǎn)卵時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種光源下黑水虻生活史比較一致，用碘鎢燈人工光照對黑水虻的卵期、幼蟲期、蛹期都不會產(chǎn)生不良影響[21]。以上報(bào)道表明,適當(dāng)?shù)娜斯す庹湛捎行岣吆谒涤紫x的產(chǎn)量。

3.1.2 含水率對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響 不同含水率的飼料對黑水虻幼蟲的生長發(fā)育具有顯著影響。合理選擇和調(diào)節(jié)人工飼料或者畜禽糞便的含水率，不僅有利于黑水虻幼蟲的生長，獲得蟲體豐產(chǎn)，還可以更有效地處理畜禽糞便。研究報(bào)道一致認(rèn)為，飼料含水率75%最適合培養(yǎng)黑水虻幼蟲(表1)。

表1 不同含水率對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響Table 1 Effects of different moisture content on the growth and development of Black soldier fly larvae

3.1.3 基質(zhì)對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響 黑水虻幼蟲作為資源昆蟲，可用于畜禽糞便、餐廚垃圾、腐爛水果以及糧食下腳料的無害化處理。研究發(fā)現(xiàn)，采用10%菌糠+90%貂肉飼喂黑水虻幼蟲時(shí)，達(dá)到老熟幼蟲歷期僅需17 d[22]；利用雞糞配合麩皮飼養(yǎng)幼蟲，雞糞添加比例20%時(shí)，黑水虻幼蟲平均日增重最高[23]；用小麥下腳料養(yǎng)殖黑水虻幼蟲，所生產(chǎn)的幼蟲蛋白成分高達(dá)45%[24]。由此看出，黑水虻可以在高蛋白、高脂肪的貂肉中生長，也可以在營養(yǎng)物質(zhì)相對缺乏的畜禽糞便中生長，說明黑水虻幼蟲具有較強(qiáng)的生存能力和抗逆性。Lalander等[25]在2018年發(fā)現(xiàn)，盡管黑水虻幼蟲在其飼料基質(zhì)的選擇上是多種多樣的，只要其總揮發(fā)性固體和氮含量足夠高，就可以支持黑水虻幼蟲的生長發(fā)育。但是，不同的基質(zhì)成分對黑水虻幼蟲的營養(yǎng)成分產(chǎn)生顯著的影響，表2歸納了關(guān)于采用不同基質(zhì)所收獲的黑水虻幼蟲粉的營養(yǎng)成分。因此，在選擇培養(yǎng)黑水虻幼蟲的基質(zhì)時(shí)，應(yīng)該合理選擇并調(diào)節(jié)基質(zhì)中有機(jī)物如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、灰分等含量，但在目前的研究中，并沒有確定基質(zhì)中蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、灰分等營養(yǎng)物質(zhì)的合理比例，大部分研究只能確定不同種類基質(zhì)對幼蟲的影響，而沒有研究基質(zhì)中具體營養(yǎng)素之間對幼蟲的協(xié)同影響。

表2 基于不同飼喂基質(zhì)的黑水虻幼蟲粉常規(guī)營養(yǎng)指標(biāo)(干重)Table 2 Conventional nutritional indexes of Black soldier fly larvae powder based on different feeding substrates(dry weight)%

3.1.4 溫度對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響 飼養(yǎng)溫度對黑水虻幼蟲的生長發(fā)育有顯著的影響。溫度越高，黑水虻的幼蟲期越短，其鮮蟲的平均體重也最大。研究表明，溫度為30 ℃時(shí)，50%幼蟲進(jìn)入預(yù)蛹期僅需11 d；而在15 ℃時(shí)，幼蟲期要延長到21 d[29]。在處理豬場糞污時(shí)，溫度28～30 ℃，廢棄物處理效果最明顯，幼蟲的增重與增長也最明顯[31]。

3.1.5 密度對黑水虻生長發(fā)育的影響 黑水虻處理廢棄物時(shí)，蟲卵與基質(zhì)之間存在著一個(gè)合適比例問題。徐春笑等[32]研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻處理餐廚廢棄物，每噸餐廚垃圾添加100 g蟲卵時(shí)，可以產(chǎn)生最大的鮮蟲產(chǎn)量和最小的餐廚垃圾總重。在獲取黑水虻幼蟲的最大生物量時(shí)，1.2～5條幼蟲/cm2的密度下規(guī)模化養(yǎng)殖黑水虻是可行的[33]。幼蟲密度比例過低，則因黑水虻不能充分消納廢棄物，造成營養(yǎng)浪費(fèi)；密度過高，有機(jī)物不足以滿足幼蟲的生長需要，導(dǎo)致幼蟲生長發(fā)育受阻。

3.2 生物因素

3.2.1 基因與激素對黑水虻生長發(fā)育的影響 黑水虻幼蟲只能在幼蟲期處理廢棄物，如果能穩(wěn)定地延長黑水虻的幼蟲期，就能增加其對有機(jī)廢物的利用量。昆蟲的變態(tài)發(fā)育由一系列激素和神經(jīng)肽控制[34]，據(jù)研究報(bào)道，通過CRISPR/cas9基因編輯方法敲除促胸變激素(PTTH)基因，導(dǎo)致黑水虻蛻皮激素的合成和釋放受阻，延緩黑水虻幼蟲蛻皮和變態(tài)，從而延長黑水虻幼蟲成蛹的過程，使最后一個(gè)幼蟲齡期從對照組的4～5 d增加到突變體的>85天；研究還發(fā)現(xiàn)PTTH突變體的體型和體重均大于野生型，但有學(xué)者認(rèn)為PTTH基因并不能調(diào)節(jié)果蠅的生長速率[35]，這說明PTTH突變體體型與體重的增大可能是由于進(jìn)食時(shí)間的延長而間接導(dǎo)致的，而不是該基因直接控制[15]。

3.2.2 酶對黑水虻生長發(fā)育的影響 參與黑水虻脂肪積累的調(diào)節(jié)酶主要是PDC、CY、ACLY、FASN、ACC、ACOT1_2_4、ACSBG、GPAT3_4、AGPAT3_4、PLPP1_2_3、DGAT1，并且表明黑水虻幼蟲具有常規(guī)的脂肪代謝模式，脂肪代謝主要在黑水虻幼蟲發(fā)育的前期和蛹期，其中脂肪積累在幼蟲早期階段扮演著重要的角色，脂肪含量在預(yù)蛹期達(dá)到最高值[36]。五齡幼蟲和預(yù)蛹之間的mRNA表達(dá)模式存在差異，特別是FAS(脂肪酸合成酶)和ACC(乙酰輔酶a羧化酶)在五齡幼蟲體內(nèi)的超量表達(dá)可能參與了脂肪酸合成的限速步驟，從而參與了營養(yǎng)積累和能量儲備，以供昆蟲變態(tài)和進(jìn)一步發(fā)育時(shí)使用，這一過程對完全變態(tài)昆蟲尤其重要，因?yàn)樗鼈円蕾囘@些儲備來支持生長、生活和繁殖[37]。

4 展 望

綜上所述，調(diào)控黑水虻生長發(fā)育是環(huán)境與生物因素的結(jié)合?？偟膩碚f，生物因素的影響在試驗(yàn)研究層面，例如黑水虻品種的選育等有很大空間，而環(huán)境因素如光照、溫度、含水率、密度以及基質(zhì)條件的影響，體現(xiàn)在生產(chǎn)上，較為直觀、容易控制，目前的研究成果已經(jīng)比較充分了解了光照、溫度、含水率、密度等對黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響，飼養(yǎng)管理?xiàng)l件也比較明確。但是，對于飼喂基質(zhì)的研究，大部分僅限于基質(zhì)種類對幼蟲的影響，而缺乏基質(zhì)中各大營養(yǎng)素之間合理比例以及深層次機(jī)理的研究，畜禽糞便中殘留的抗生素等對幼蟲的影響研究也不充分，今后這方面的研究對相關(guān)理論以及黑水虻在養(yǎng)殖廢棄物變廢為寶中的實(shí)踐都具有重要意義。