黑水虻生物轉化有機廢棄物研究進展

孫運奇 苗金輝 周田田 侯瑾 任繼波 袁文鵬

摘要 隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，日益增長的有機廢棄物帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴重。黑水虻作為一種營腐生性的水虻科昆蟲，其幼蟲可以將餐廚垃圾、畜禽糞便等有機廢棄物快速轉化為優(yōu)質的蟲體蛋白和脂肪等營養(yǎng)物質，在消除環(huán)境污染的同時，有效提升有機廢棄物資源化利用效率。近年來，黑水虻的研究開發(fā)利用得到了快速發(fā)展，對黑水虻的生物學特性、有機廢棄物處理研究進展、黑水虻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中存在的問題等進行了綜述，以期為黑水虻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

關鍵詞 黑水虻;生物轉化;廢棄物處理;產(chǎn)業(yè)化

中圖分類號 X 174 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）15-0010-04

Abstract With the rapid development of economy and society in China，the environmental pollution problem caused by the growing organic waste is becoming more and more serious.As a saprophytic insect of Tabanidae，the larvae of ?Hermetia illucens ?can quickly transform organic wastes such as kitchen waste and livestock and poultry feces into highquality nutrients such as protein and fat，and effectively improve the efficiency of resource utilization of organic wastes while eliminating environmental pollution.In recent years，the research，development and utilization of ?Hermetia illucens ?has been rapidly developed.The biological characteristics of ?Hermetia illucens， the research progress of organic waste treatment and the problems existing in the development of ?Hermetia illucens ?industrialization were reviewed in order to provide references for the development of ?Hermetia illucens ?industry.

Key words ?Hermetia illucens; Biotransformation;Waste management;Industrialization

基金項目 山東省科學院菏澤分院科研人才提升項目（801521010100000002）。

作者簡介 孫運奇（1986—），男，山東臨沂人，研究實習員，碩士，從事有機廢棄物資源化利用和產(chǎn)業(yè)化推廣研究。*通信作者，副研究員，博士，從事生物醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)研究。

收稿日期 2021-03-10

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，日益增長的有機廢棄物帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴重。為解決餐廚垃圾、畜禽糞便等有機廢棄物帶來的環(huán)境污染問題，開發(fā)其資源價值，國內外研究人員先后開發(fā)了包括填埋處理、焚燒及生物質能轉化[1]、好氧堆肥[2]、厭氧消化[3]及飼料化[4]等在內的多種技術方案，但以上處理方法存在能耗和處理成本高、處理周期較長或易產(chǎn)生二次污染等問題。

黑水虻 （Hermetia illucens）， 又稱亮斑扁角水虻，是雙翅目水虻科扁角水虻屬的一種腐食性昆蟲[5]，其幼蟲也稱為“鳳凰蟲”，是與黃粉蟲、大麥蟲和蠅蛆等齊名的資源昆蟲，在全球熱帶、亞熱帶及溫帶的大部分地區(qū)都有分布。黑水虻作為一種營腐生性的水虻科昆蟲，其幼蟲可以將餐廚垃圾、畜禽糞便等有機廢棄物快速轉化為優(yōu)質的蟲體蛋白和脂肪等營養(yǎng)物質，在消除環(huán)境污染的同時，有效提升有機廢棄物資源化利用效率。自20世紀七八十年代以來，國內外學者陸續(xù)對黑水虻開展了諸多基礎和應用研究，特別是近年來黑水虻的研究與開發(fā)利用得到了快速發(fā)展[6-9]。筆者對黑水虻的生物學特性、有機廢棄物處理研究進展、黑水虻產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中存在的問題等進行了綜述，以期為黑水虻產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 黑水虻的生物學特性

黑水虻是一種完全變態(tài)昆蟲，其生活史一般分為卵、幼蟲、蛹、成蟲4個階段，通常世代周期30～35 d。黑水虻幼蟲分為6個齡期，自3齡期后食量開始明顯增大，6齡預蛹體表顏色從乳白色逐步變?yōu)樯詈稚?，并從食料中遷出，尋找隱蔽、干燥和有縫隙的地方等待化蛹[10]。黑水虻成蟲口器退化，不取食，不進入人類居室。研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻是一種日行性昆蟲，陽光是誘導黑水虻成蟲交配的重要環(huán)境因素，而氣味則是引誘黑水虻雌性成蟲尋找適宜產(chǎn)卵場所的重要因素[11-12]。

黑水虻幼蟲階段營腐生生活，繁殖速度快，消化能力強，食譜范圍廣，抗逆性強，不攜帶病菌，可以高效地將餐廚垃圾、畜禽糞便、廢棄果蔬等在內的眾多有機廢棄物營養(yǎng)吸收轉化為自身營養(yǎng)物質[13-15]。相關試驗顯示，黑水虻幼蟲可減少約65%的餐廚垃圾[16]、50%以上豬糞和雞糞[17]的堆積問題，可減少養(yǎng)牛場30%～50%的氮排放和60%～70%的磷排放[18]。在生物轉化過程中，黑水虻幼蟲的機械蠕動使有機廢棄物始終處于有氧環(huán)境中，水分蒸發(fā)速度加快，難聞氣味和病原微生物載體根本性減少，并能通過生存競爭有效控制家蠅等雙翅目昆蟲的滋生[19]。此外，研究表明黑水虻幼蟲的營養(yǎng)組成具有一定的可塑性，其體內特定營養(yǎng)組分的含量高低可通過調節(jié)其采食的有機廢棄物的營養(yǎng)來實現(xiàn)[20-23]。分析表1數(shù)據(jù)可知，黑水虻烘干蟲粉中粗脂肪、鈣和灰分的含量受到采食底物的影響較大，而蛋白質和氨基酸組成則相對比較穩(wěn)定。

2 黑水虻生物轉化有機廢棄物研究

利用黑水虻處理有機廢棄物作為一種新興的廢棄物資源化利用技術，具有良好的市場應用前景。目前研究人員已經(jīng)對黑水虻生長繁育所需的適宜溫度[24]、空氣相對濕度[25]、光照[26-27]、飼料含水量[28]、抗逆性[29-30]等基礎條件進行了研究，產(chǎn)業(yè)化應用技術研究也在快速推進。

2.1 黑水虻處理餐廚垃圾

隨著人民生活水平的提高和城市化進程的加快，城市餐廚垃圾也呈快速增長的趨勢，大量的餐廚垃圾如處理不當會嚴重影響人們的身體健康和生態(tài)環(huán)境。與其他廢棄物相比，餐廚垃圾營養(yǎng)更豐富，具有較高的生物轉化價值。任立斌[31]研究發(fā)現(xiàn)，黑水虻能夠承受6%的滲透壓，黑水虻幼蟲最適生長含水率為70%，最適pH為3，最適含油量2%。尹靖凱等[32]研究表明，經(jīng)過黑水虻幼蟲8 d的轉化，餐廚垃圾干物質可減少率為74.0%，干物質轉化率為33.9%;轉化后黑水虻蟲體內的粗蛋白和脂肪含量分別為45.1%和48.1%，分別是原餐廚垃圾中蛋白和脂肪總量的61.3%和64.0%。熊彩虹等[33]研究顯示，餐廚垃圾養(yǎng)殖黑水虻鮮蟲產(chǎn)率達12%～20%，蟲沙得率為15%～20%;黑水虻幼蟲干粉中共有17種氨基酸，其中必需氨基酸有9種，并以纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸和精氨酸為主，而脂肪酸以月桂酸、棕櫚酸、油酸、亞油酸為主，且幼蟲干粉中月桂酸含量最高。任立斌等[34]還構建了以黑水虻為核心的新型餐廚垃圾處理系統(tǒng)，為實現(xiàn)餐廚垃圾處理區(qū)域點、面源全覆蓋，促進居民垃圾分類的積極性和責任感，提高餐廚垃圾的回收和資源化利用提供思路和解決方案。

利用餐廚垃圾飼養(yǎng)黑水虻養(yǎng)殖周期短、蟲體產(chǎn)量高、飼料轉化率和幼蟲存活率高，具有較好的經(jīng)濟效益[35-36]。雖然不同地區(qū)飲食習慣差異造成餐廚垃圾成分含量的差異化[37]，但研究表明黑水虻對饑餓、pH、辣度和鹽度等環(huán)境條件具有良好的耐受性[38-39]，這為利用餐廚垃圾實現(xiàn)規(guī)?；谒叼B(yǎng)殖提供了有力支撐。

2.2 黑水虻處理畜禽糞便

畜禽糞便處理難一直制約著整個養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的良性和可持續(xù)發(fā)展，黑水虻轉化畜禽糞便時，不僅可以減少糞便的積累，消除糞便的惡臭氣味，降低環(huán)境污染，同時還可以降低糞便中的有害微生物含量，如糞便中的大腸桿菌、沙門氏菌和金黃色葡萄球菌等[19]。

解慧梅等[40]評價了黑水虻規(guī)?；幚碡i場糞便的可行性及處理效果，發(fā)現(xiàn)4日齡黑水虻幼蟲、鮮豬糞、堆料厚度15 cm 的組合處理效果較好，這為黑水虻處理規(guī)?；i場糞便提供了試驗依據(jù)。馬加康等[41]探討了黑水虻幼蟲對新鮮鴨糞的處理能力及糞便轉化的效果，結果顯示鴨糞可以作為黑水虻幼蟲的飼料，添加量以60%為宜，飼養(yǎng)效果較為理想。Craig等[7]研究表明，黑水虻可以以8%的轉化率將雞糞（干重）轉化為粗蛋白和脂肪，比重分別為42%和35%。郭會茹等[42]試驗顯示，雞糞飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲含水量為69.1%，粗蛋白、粗脂肪、粗灰分分別占干物質含量的 37.60%、36.00%、5.46%;黑水虻幼蟲總氨基酸含量達 32.27%，賴氨酸占粗蛋白質的 5.80%，總游離脂肪酸含量為22.39%，高效抗菌物質月桂酸的含量高達8.88%。StHilaire等[43]研究顯示以牛糞飼喂黑水虻幼蟲，在預蛹前加入28%的魚加工廢棄物混合飼喂24 h，可以顯著提高黑水虻預蛹的σ-3脂肪酸的含量。此外，研究顯示黑水虻對畜禽糞便中的重金屬也有解毒作用[44]。利用黑水虻在自然界采食糞便的生物學特性，用來大規(guī)模地生物轉化畜禽糞便，是有效解決畜禽糞便無害化、資源化利用的一種重要途徑。

2.3 黑水虻處理其他有機廢棄物

黑水虻不屬于任何形式的農(nóng)業(yè)害蟲、衛(wèi)生害蟲或入侵生物種類，用豆渣、玉米渣等食品級原料飼養(yǎng)的黑水虻是可以放心使用的飼料級或食品級的蛋白質和脂肪來源[23]。魏亞茹[45]利用黑水虻對城市剩余脫水污泥的生態(tài)處理研究顯示，污泥干重減量與污泥比例呈正相關，在污泥含量60%時去除率最大，達到14.72%，黑水虻蟲體蛋白質含量為13.72%～17.71%，這為更深入探究黑水虻對有機污泥的生態(tài)削減與控制提供了科學依據(jù)。楊燕等[46]以黑水虻為媒介處理豬偽狂犬病和豬高致病性藍耳病2種疫病致死豬病料，檢測結果表明，收獲的黑水虻蟲體中這2種疫病菌核酸檢測都呈陰性，初步提示黑水虻可以用于病死畜禽尸體的無害化處理。

3 黑水虻處理有機廢棄物產(chǎn)業(yè)存在的問題

我國的高校、科研院所等從歐美發(fā)達國家引進黑水虻已有十幾年，但大多還停留在理論研究[47-49]以及小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術研發(fā)[50-52]層面上，真正能夠實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)并能夠持續(xù)運轉的企業(yè)并不多，業(yè)界還沒有實現(xiàn)黑水虻生物轉化有機廢棄物產(chǎn)業(yè)化的快速突破，存在的主要問題概括如下。

3.1 黑水虻人工種蟲繁育困難

黑水虻種蟲交配產(chǎn)卵穩(wěn)定是實現(xiàn)黑水虻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化的前提，盡管黑水虻單雌成蟲產(chǎn)卵量很高[10]，但因在自然條件下種蟲交配率低、形成受精卵的比例低，特別是冬春兩季，導致收獲的蟲卵無法滿足生產(chǎn)所需。黑水虻種蟲交配繁育困難成為制約黑水虻產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的關鍵。

3.2 黑水虻周年化和規(guī)?；B(yǎng)殖技術尚不成熟

黑水虻的養(yǎng)殖受環(huán)境條件（尤其是溫度）的影響很大，在國內不同地區(qū)、不同氣候環(huán)境條件下實現(xiàn)黑水虻周年化、規(guī)?；B(yǎng)殖，首先要滿足黑水虻生長各階段過程中對溫度、濕度和光照等環(huán)境因素的需求，使黑水虻在最適條件下生長;其次還要加大對黑水虻養(yǎng)殖自動化、機械化設備的研發(fā)力度，如立體養(yǎng)殖設備和蟲糞分離設備等，以減少用工數(shù)量和工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本;此外，還需要實現(xiàn)整個養(yǎng)殖工藝的模塊化、標準化，并培養(yǎng)足夠數(shù)量的專業(yè)技術人才。目前國內外都加大了對黑水虻周年化和規(guī)?；B(yǎng)殖技術開發(fā)的投入，從對黑水虻處理有機廢棄物項目中盈利的預期導致了許多公司的成立，但這些企業(yè)不得不面臨黑水虻養(yǎng)殖生產(chǎn)穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低等問題[53]，所以黑水虻周年化和規(guī)?；B(yǎng)殖技術尚不成熟。

3.3 黑水虻在水產(chǎn)和畜禽動物養(yǎng)殖領域應用進展緩慢

豆粕和魚粉產(chǎn)量增長受限，多依賴進口，價格波動較大，加劇了養(yǎng)殖飼料蛋白的短缺，尋找質優(yōu)價廉的替代蛋白產(chǎn)品已迫在眉睫[54]。黑水虻作為一種可持續(xù)供給的新型動物蛋白原料，能夠提供水產(chǎn)和畜禽動物所需的蛋白和能量。目前黑水虻在國外的產(chǎn)品形式多為脫脂蟲粉，而國內有全脂蟲干、脫脂蟲干、蟲油和蟲漿發(fā)酵產(chǎn)品等應用形式，并且未有統(tǒng)一的產(chǎn)品質量標準。盡管黑水虻的營養(yǎng)價值已經(jīng)被許多研究和工程實踐所證實[55-57]，但由于絕大多數(shù)水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖界的營養(yǎng)學家和配方設計人員都沒有接觸過黑水虻這種新型蛋白原料，故需要建立起更多研究、試驗數(shù)據(jù)支撐的黑水虻飼用效果數(shù)據(jù)庫，才能逐步實現(xiàn)黑水虻標準化、大規(guī)模的應用和推廣，進一步提升其飼用價值。黑水虻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)化剛剛起步，市場供應鏈不完善，目前大部分養(yǎng)殖企業(yè)均還處在做市場探索的階段，黑水虻產(chǎn)品銷售市場渠道還未打通。黑水虻作為有機廢棄物資源化利用的下游產(chǎn)物，在水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖領域的推廣應用需要產(chǎn)學研緊密合作，共同努力推動才能逐步達成。

4 展望

以黑水虻為生物媒介的有機廢棄物生物轉化系統(tǒng)，打破了常規(guī)以微生物降解為核心的固有處理技術格局。自從歐盟2015/2283和2017/893號條例允許在水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料中使用黑水虻作為飼料蛋白源以來，全球食品和飼料行業(yè)對以黑水虻為代表的資源昆蟲的開發(fā)利用越來越關注，黑水虻產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展階段[5]。為了充分發(fā)揮黑水虻作為有機固廢處理新模式和新型飼料原料的優(yōu)勢，未來可圍繞以下幾個方面開展相關研究。

4.1 聚焦黑水虻人工種蟲繁育技術研究

黑水虻蟲源不足一直是規(guī)?；a(chǎn)中亟需解決的問題，而解決蟲源不足的關鍵是找到一種可以促進黑水虻穩(wěn)定交配產(chǎn)卵的人工光源[25，58]，從而解決連續(xù)陰雨天及室內大規(guī)模養(yǎng)殖時所需的光照問題，打破困擾多年的黑水虻人工育種繁殖困難的技術瓶頸。近期已有研究人員研制出低能耗、長壽命的LED補光燈，通過不同光層模擬太陽光照，促進黑水虻交配產(chǎn)卵，可顯著提高黑水虻人工種蟲繁育效率[59]。

4.2 建立標準化生產(chǎn)模式，逐步實現(xiàn)黑水虻工廠化生產(chǎn)

黑水虻工廠化生產(chǎn)是集自動化、機械化、規(guī)?；蜆藴驶谝惑w的，不受季節(jié)影響的連續(xù)、高效養(yǎng)殖模式。隨著勞動力成本不斷上升、對黑水虻產(chǎn)品供應需求的增加以及對黑水虻產(chǎn)品品質要求的提升，黑水虻工廠化生產(chǎn)將成為黑水虻養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。未來需要持續(xù)加大研發(fā)投入，突破各環(huán)節(jié)技術難題，逐步建立完整的黑水虻人工繁育、環(huán)境控制[60]、防病防疫等技術體系，使黑水虻全產(chǎn)業(yè)鏈能夠實現(xiàn)標準化和可控操作，從而為后續(xù)固體有機廢棄物規(guī)?；幹?、黑水虻產(chǎn)品開發(fā)和深加工以及市場的大范圍推廣奠定堅實的基礎。

4.3 加大黑水虻在水產(chǎn)和畜禽飼料產(chǎn)品中的研究和開發(fā)力度

黑水虻幼蟲和預蛹作為具有生物活性的優(yōu)質功能蛋白和脂肪來源，可作為魚粉、豆粕和血漿蛋白粉等傳統(tǒng)飼料蛋白源的補充。未來的研究重點包括：①在滿足黑水虻存儲和運輸要求的前提下，加強黑水虻幼蟲產(chǎn)品加工工藝的研究，如酶解和發(fā)酵工藝，以提高其在水產(chǎn)和畜禽動物中的應用效果;②進一步探究黑水虻制品在水產(chǎn)和畜禽動物中使用時的營養(yǎng)成分消化效率和能值，為其作為蛋白飼料源應用提供更多基礎數(shù)據(jù);③充分考慮配方的氨基酸平衡和脂肪酸組成，探究黑水虻不同制品在水產(chǎn)和畜禽不同品種或生長階段中的最佳應用形式與添加量;④探究黑水虻制品及其不同組分在水產(chǎn)和畜禽動物中的應用效果和作用機制，特別是在免疫保護和抗應激方面的作用，為其深度應用提供理論依據(jù)和技術支持[23]。

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