黑水虻處理有機(jī)廢棄物技術(shù)研究進(jìn)展

王 葉 喻國(guó)輝 李義勇 *

（1仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州 510225；2廣東省農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510225；3仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院植物健康創(chuàng)新研究院，廣東廣州 510225）

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昆蟲，廣泛分布于全球熱帶和亞熱帶地區(qū)[1-2]。黑水虻為全變態(tài)發(fā)育，共經(jīng)歷卵、幼蟲、蛹、成蟲4個(gè)蟲態(tài)。卵為塊產(chǎn)，一般為500粒左右，初產(chǎn)時(shí)為乳白色或淺黃色，之后變成黃色，27℃條件下4 d左右孵化為幼蟲。1～5齡幼蟲體色乳白色，取食活躍，3～5齡時(shí)具有暴食性；6齡蟲體呈黑色，此時(shí)口器開始退化且不采食，被稱為預(yù)蛹[3]。預(yù)蛹直至羽化為成蟲都是依靠消耗前期積累的脂肪維持生命活動(dòng)。成蟲期5～8 d，在羽化后2 d進(jìn)行交配和繁殖，羽化4 d左右時(shí)產(chǎn)卵[4]。

黑水虻處理有機(jī)廢棄物是指利用低齡期具有暴食性的黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物的方法[5-6]。處理結(jié)束后收獲的幼蟲體內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、礦物質(zhì)等[7-9]，可用作水產(chǎn)、家禽養(yǎng)殖飼料以及生物燃料等[10-11]，篩除幼蟲蟲體后的殘余物是一種高附加值的有機(jī)肥料[12-13]。與其他昆蟲相比，黑水虻處理有機(jī)廢棄物的最大優(yōu)勢(shì)在于其行為特征：黑水虻喜棲于室外的草木上而不進(jìn)入人居環(huán)境[14]，不攜帶病原菌[15]，無營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)也可交配產(chǎn)卵，還可在一定程度上阻止家蠅產(chǎn)卵，使家蠅幼蟲數(shù)量減少。此外，黑水虻處理有機(jī)廢棄物的周期明顯低于蠅蛆和蚯蚓的處理周期[16]，且轉(zhuǎn)化率高于蠅蛆和蚯蚓[17]。因此，以黑水虻作為生物轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)者來處理餐廚垃圾、畜禽糞便等有機(jī)廢棄物[18]，能在治理環(huán)境污染的同時(shí)收獲高價(jià)值產(chǎn)品，具有高效、高值等特點(diǎn)，是一項(xiàng)特色鮮明、優(yōu)勢(shì)明顯的技術(shù)。

大量研究表明，黑水虻幼蟲對(duì)畜禽糞便、餐廚垃圾和病死畜禽尸體等有機(jī)廢棄物處理均具有可行性，但其處理效率較低，限制了黑水虻處理有機(jī)廢棄物的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本文從黑水虻處理有機(jī)廢棄物的現(xiàn)狀和問題出發(fā)，著重探討其可能的解決辦法，以期為黑水虻處理有機(jī)廢棄物的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 黑水虻處理有機(jī)廢棄物現(xiàn)狀

黑水虻幼蟲具有食譜廣、食量大、營(yíng)養(yǎng)需求低、安全性高等特點(diǎn)，因而擁有巨大的有機(jī)廢棄物處理潛力[19]。黑水虻幼蟲為腐食性[20]，在自然界中以動(dòng)物糞便[21]和腐爛有機(jī)物為食，如雞糞[22]、牛糞[23]，腐爛的水果、蔬菜和肉類[24]，腐敗的海產(chǎn)品及病死畜禽尸體等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前黑水虻幼蟲可處理的有機(jī)廢棄物達(dá)78種（包括混合有機(jī)廢棄物）[25]。黑水虻幼蟲對(duì)單一有機(jī)糞便的處理率為20%～50%；對(duì)餐廚垃圾的處理率較高，達(dá)50%～70%[26]；對(duì)畜禽尸體的研究熱點(diǎn)集中在病原菌抑制方面，對(duì)其減量的具體數(shù)據(jù)還鮮有報(bào)道。

1.1 黑水虻處理畜禽糞便

黑水虻幼蟲采食新鮮糞便，攝取其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身的蛋白質(zhì)和脂肪，對(duì)糞便減量化的同時(shí)可消除糞便的臭味[27-28]。袁 橙等[29]研究了黑水虻處理規(guī)模化豬場(chǎng)糞便的效果，發(fā)現(xiàn)4日齡（孵化后4 d）黑水虻幼蟲對(duì)料堆厚度為15 cm的新鮮豬糞減量率最高，達(dá)65.33%，獲得的蟲重最大。余 峰等[30]探討了黑水虻幼蟲處理不同養(yǎng)殖模式來源鴨糞的效果，發(fā)現(xiàn)黑水虻對(duì)3種鴨糞的減量率約為30%，糞便的有機(jī)質(zhì)含量是影響黑水虻預(yù)蛹產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化效果的一個(gè)重要因素，且處理后鴨糞臭味明顯消除。EIDakar等[31]研究了黑水虻幼蟲處理鳥類糞便與哺乳動(dòng)物糞便的效果，黑水虻在豬糞、鵪鶉糞、羊糞、雞糞中達(dá)到預(yù)蛹周期分別約需要 36、30、26、26 d；達(dá)到預(yù)蛹期之后，黑水虻對(duì)鳥類糞便的減量率為35.04%±1.44%，對(duì)哺乳動(dòng)物糞便的減量率為30.95%±2.11%。這說明鳥類糞便的營(yíng)養(yǎng)成分以及結(jié)構(gòu)相對(duì)于哺乳動(dòng)物糞便更適合黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化分解。Moula等[32]開展了試驗(yàn)，以馬糞飼養(yǎng)黑水虻幼蟲，并將收獲的幼蟲用于飼喂當(dāng)?shù)丶仪?，同時(shí)檢測(cè)了幼蟲及家禽肉類的脂肪酸譜。結(jié)果表明，馬糞飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲含有豐富的脂肪酸，其喂養(yǎng)的家禽肉脂肪酸含量與專用飼料喂養(yǎng)的無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說明馬糞—黑水虻—家禽的資源化利用模式是可行的。此外，黑水虻幼蟲對(duì)人類糞便也有較好的處理效果，減量率可達(dá)25.8%[33]。可見，黑水虻幼蟲對(duì)糞便的處理具有廣適性和環(huán)境友好性[34]。

1.2 黑水虻處理餐廚垃圾

餐廚垃圾包括家庭、學(xué)校、食堂及餐飲行業(yè)等產(chǎn)生的食物加工下腳料（廚余）和食用殘余（泔腳），其成分復(fù)雜，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚肉等多種物質(zhì)的混合物。我國(guó)餐廚垃圾數(shù)量十分巨大，并呈快速上升趨勢(shì)[35]。黑水虻幼蟲對(duì)易腐餐廚垃圾的取食與消化能力非常強(qiáng)，可充分實(shí)現(xiàn)對(duì)餐廚垃圾的無害化、減量化和資源化處理[36]。Cheng等[37]研究表明，黑水虻幼蟲可處理較高含水量的餐廚垃圾，且含水率為75%時(shí)處理效果最佳，黑水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾減量率約為65%，這與Lalander等[38]利用黑水虻幼蟲處理高含水率物料的研究結(jié)果一致。Salomone等[39]利用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾，使10 t的餐廚垃圾減量70%，收獲幼蟲總干重達(dá)300 kg。Meneguz等[40]比較了黑水虻幼蟲對(duì)變質(zhì)水果、腐爛蔬菜、啤酒廠副產(chǎn)物和紅酒廠副產(chǎn)物等4種有機(jī)廢棄物的轉(zhuǎn)化效果，對(duì)變質(zhì)水果和腐爛蔬菜的減量率分別為65.20%和70.80%，均高于對(duì)兩種酒廠廢棄物的處理率（53.0%和42.5%），表明黑水虻幼蟲對(duì)易腐垃圾的轉(zhuǎn)化分解效果更佳。另有研究表明，黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾時(shí)，可強(qiáng)效殺滅垃圾中的病原菌，從而阻斷毒蛋白在食物鏈中的傳播。由此可見，黑水虻處理餐廚廢棄物具有顯著優(yōu)勢(shì)[41]。

1.3 黑水虻處理病死畜禽尸體

黑水虻幼蟲可用于處理病死畜禽尸體，使其無害化。有研究表明，黑水虻幼蟲食用帶病原菌的飼料后，其蟲體內(nèi)并未檢測(cè)到相應(yīng)的病原菌，排泄物中也未檢測(cè)出病原菌，說明飼料中的病原菌經(jīng)過黑水虻幼蟲采食后被完全殺滅。對(duì)黑水虻幼蟲體表浸泡洗滌后的溶液檢測(cè)相應(yīng)病原，結(jié)果呈陰性[42]，說明黑水虻蟲體表可能富含抗菌肽類物質(zhì)，對(duì)接觸的病原菌有抑制或者殺滅作用[43]。利用黑水虻幼蟲高效處理病死豬并實(shí)施生物轉(zhuǎn)化，將為非洲豬瘟病死豬處理開辟新途徑。可見，黑水虻幼蟲可實(shí)現(xiàn)病死畜禽尸體的無害化，在安全處理病死畜禽尸體方面具有應(yīng)用潛力。

2 黑水虻處理有機(jī)廢棄物技術(shù)存在的問題及解決方法

黑水虻幼蟲對(duì)多種有機(jī)廢棄物均具有分解轉(zhuǎn)化的可行性，但有機(jī)廢棄物來源和性質(zhì)不同導(dǎo)致了黑水虻幼蟲對(duì)部分有機(jī)廢棄物的處理效果不佳。其原因如下：大部分有機(jī)廢棄物本身營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)不均衡，導(dǎo)致黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化率以及有機(jī)廢棄物減量率較低；有機(jī)廢棄物中直接降解菌不占優(yōu)勢(shì)或輔助黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化的功能菌活力不夠[44]，不利于黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物的分解轉(zhuǎn)化；有機(jī)廢棄物中大分子物質(zhì)較多，不利于黑水虻幼蟲采食和消化[45]。因此，要使黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物達(dá)到較好效果，首先，要保證有機(jī)廢棄物中的營(yíng)養(yǎng)均衡，以滿足黑水虻幼蟲的采食需求[46-47]；其次，微生物在分解轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要的作用，調(diào)節(jié)菌群關(guān)系可促進(jìn)黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物的處理[48]；最后，通過加入輔助物料進(jìn)行發(fā)酵，改善有機(jī)廢棄物營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)黑水虻幼蟲攝食和糞便轉(zhuǎn)化。

2.1 調(diào)節(jié)有機(jī)廢棄物碳氮比

如表1所示，雞糞的碳氮比約為10，氮含量高于人類糞便和牛糞，黑水虻幼蟲對(duì)雞糞的減量率為49.23%，高于對(duì)其他廢棄物的減量率[49]；人類糞便的碳氮比約為22，氮含量的初始水平較低，且隨著幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物采食，體系內(nèi)營(yíng)養(yǎng)成分氮含量減少，碳氮比更加不平衡，抑制了幼蟲對(duì)底料的采食[50]；牛糞的碳氮比為24左右，也存在著碳氮比失衡的情況，減量率相對(duì)較低，約為14.30%?？梢姡谒涤紫x對(duì)牛糞、人類糞便等碳氮比失衡的有機(jī)廢棄物減量率相對(duì)較低[20]。為了提高有機(jī)廢棄物的減量率，可將有機(jī)廢棄物碳氮比調(diào)節(jié)至適宜值[51]。此外，有機(jī)廢棄物營(yíng)養(yǎng)不均衡還會(huì)導(dǎo)致處理周期相對(duì)延長(zhǎng)。

表1 黑水虻幼蟲對(duì)不同有機(jī)廢棄物的處理情況

不同種類有機(jī)廢棄物之間的營(yíng)養(yǎng)成分有差異，將之混合調(diào)節(jié)至適宜的碳氮比，可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲分解轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物（表2）。Gold等[52]研究表明，日料中非纖維碳水化合物∶蛋白質(zhì)為1∶1時(shí)可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物的分解轉(zhuǎn)化。郭孝結(jié)[54]以稻殼粉為營(yíng)養(yǎng)載體，確定黑水虻幼蟲的最佳碳源和氮源配方為葡萄糖0.306 3 g/頭、胰蛋白粉0.120 7 g/頭。人類糞便碳氮比較高，雞糞碳氮比相對(duì)較低（表1）。將兩者以2∶3的比例混合可有效平衡底料的碳氮比，使減量率提高至41.98%[33]。豆粕是大豆提取油脂后的殘留物，由于絕大部分含碳物質(zhì)進(jìn)入豆油中，故殘留物中的氮較多，其碳氮比約為5[55]。將之添加到人類糞便中后，再用黑水虻幼蟲進(jìn)行處理，可使減量率提高至56.50%[53]。屠宰場(chǎng)廢棄物主要包括待宰圈清理產(chǎn)生的糞便、屠宰車間生產(chǎn)過程中割下的碎肉及碎骨、畜血和病死畜禽等，氮源豐富[56]，碳氮比相對(duì)較低。將之添加到人類糞便以及牛糞中，再用黑水虻幼蟲進(jìn)行處理，可使減量率提高至64.1%。由此可見，適宜的碳氮比可明顯促進(jìn)黑水虻幼蟲分解轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物[52]。

表2 黑水虻幼蟲對(duì)不同種類有機(jī)廢棄物混合物的處理情況

2.2 細(xì)菌協(xié)同作用

共生菌在昆蟲生長(zhǎng)、腸道微生物菌群發(fā)育和消化酶生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用[57]。與黑水虻幼蟲共生的微生物可有效促進(jìn)幼蟲采食有機(jī)廢棄物（表3）。江承亮[44]研究了黑水虻幼蟲腸道菌群對(duì)餐廚垃圾生物降解的機(jī)制，結(jié)果表明，黑水虻幼蟲在分解轉(zhuǎn)化餐廚垃圾過程中將餐廚垃圾中的部分菌作為共生菌幫助自身生長(zhǎng)發(fā)育。這些菌主要包括芽孢桿菌、腸桿菌和乳酸菌等。

表3 不同菌株與黑水虻幼蟲協(xié)同轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的減量率

Mazza等[49]從黑水虻蟲卵以及幼蟲內(nèi)道分離得到10株內(nèi)生菌，探究其對(duì)黑水虻幼蟲處理雞糞的影響，結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌（Bacilus subtilis）處理組效果最佳，雞糞減量率為53.58%；考克氏菌（Kocuria marina）與奇異變形桿菌（Porteus mirabilis）處理組效果次之，雞糞減量率分別為50.73%和50.43%；藤黃細(xì)球菌（Micrococcus luteus）、戈登氏菌（Gordonia sihwensis）處理組效果最差，雞糞減量率分別為47.00%和46.66%，且低于不加菌處理組（減量率為49.23%）。以上說明不同細(xì)菌對(duì)黑水虻幼蟲處理雞糞體系的影響有所差異，其中枯草芽孢桿菌可用于強(qiáng)化黑水虻幼蟲的轉(zhuǎn)化作用。這與Xiao等[59]的研究結(jié)果一致。Somroo等[58]研究表明，外源布氏乳桿菌可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化大豆加工副產(chǎn)物，對(duì)大豆副產(chǎn)物的減量率由49.00%提高至55.70%。同時(shí)，Rehman等[33]研究了外源添加5株芽孢桿菌對(duì)黑水虻幼蟲降解雞糞與人類糞便混合物的影響，接種組的混合物減量率為45.49%，而不加菌處理組為41.98%，兩者有顯著差異，說明外源枯草芽孢桿菌也可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物。上述外源枯草芽孢桿菌與內(nèi)源枯草芽孢桿菌均可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲對(duì)糞便的減量降解，因而推測(cè)其與枯草芽孢桿菌本身的性質(zhì)有關(guān)[60]。其作用機(jī)理可能包括以下方面：首先，枯草芽孢桿菌菌體生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的枯草菌素、短桿菌肽等活性物質(zhì)對(duì)致病菌有明顯的抑制作用，避免了因黑水虻染病后種群數(shù)量減少而引起的有機(jī)廢棄物減量率降低；其次，枯草芽孢桿菌能夠迅速消耗腸道中的游離氧，使腸道處于低氧環(huán)境，促進(jìn)有益厭氧菌生長(zhǎng)，從而促進(jìn)黑水虻將有機(jī)廢棄物中營(yíng)養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)；最后，枯草芽孢桿菌菌體自身合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類，在消化道中與黑水虻體內(nèi)的消化酶協(xié)同發(fā)揮作用[61]。

2.3 有機(jī)廢棄物預(yù)發(fā)酵

一般認(rèn)為，預(yù)發(fā)酵可殺滅有害的寄生蟲卵和致病微生物，同時(shí)減少臭味產(chǎn)生和養(yǎng)分損失，還可提高飼料適口性和吸收效率。這點(diǎn)也適用于黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物，即對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行預(yù)發(fā)酵處理可促進(jìn)黑水虻對(duì)有機(jī)廢棄物的轉(zhuǎn)化[62]。Isibika等[63]研究表明，接種Trichoderma reesei以及添加非蛋白氮（NH3）至破碎處理的香蕉皮體系中，經(jīng)過14 d發(fā)酵后再加入黑水虻幼蟲進(jìn)行處理，可有效提高黑水虻幼蟲對(duì)香蕉皮的采食量和轉(zhuǎn)化率。其作用機(jī)理：首先，NH3的加入有效地平衡了香蕉皮的碳氮比，促進(jìn)了黑水虻采食；其次，發(fā)酵過程中，微生物將香蕉皮中的大分子物質(zhì)分解為更容易被黑水虻幼蟲攝食的小分子物質(zhì)，促進(jìn)了黑水虻采食；最后，腸道菌群可將外來非蛋白氮轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞蛋白供黑水虻利用。Elsayed等[64]將秸稈與雞糞以不同比例混合之后進(jìn)行厭氧發(fā)酵，再利用黑水虻幼蟲處理厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的黑色固體。當(dāng)幼蟲與黑色固體比值為0.75、處理周期為15 d時(shí)，每條蟲子增重約144 mg，與其他試驗(yàn)組均有顯著性差異。綜上所述，預(yù)發(fā)酵之后的底料消化率得到提高，更利于黑水虻幼蟲的生物轉(zhuǎn)化，從而提高了有機(jī)廢棄物的減量率。

3 展望

利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便、餐廚垃圾和病死畜禽尸體等有機(jī)廢棄物均具有可行性。在生物轉(zhuǎn)化過程中，按照一定比例混合有機(jī)廢棄物至適宜碳氮比、投加菌劑、預(yù)發(fā)酵處理等措施均可顯著促進(jìn)黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物的分解轉(zhuǎn)化。其進(jìn)一步的技術(shù)研究方向有以下方面。

3.1 用好碳氮比

諸多研究表明，調(diào)節(jié)碳氮比可有效促進(jìn)黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物。據(jù)此探究更多種類有機(jī)廢棄物的適宜混合比例可有效促進(jìn)黑水虻處理有機(jī)廢棄物，不僅可以增強(qiáng)黑水虻對(duì)有機(jī)廢棄物的處理能力，還可獲得更多的黑水虻生物量。

3.2 用好產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)物

諸多產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)物尚未得到高效利用。糧食和豆類加工廠廢棄物、屠宰場(chǎng)廢棄物等均可作為輔助物料補(bǔ)充底料的營(yíng)養(yǎng)成分和改善底料的空間結(jié)構(gòu)，在提高黑水虻幼蟲對(duì)底料轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)物的高值化利用。

3.3 用好生物強(qiáng)化手段

微生物在黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物過程中發(fā)揮著重要的作用，參與物料分解和腸道消化等過程。通過添加外源或內(nèi)源菌劑來調(diào)節(jié)黑水虻體系中的微生物群落結(jié)構(gòu)，使體系內(nèi)的降解功能菌成為優(yōu)勢(shì)種群，可促進(jìn)黑水虻幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物的分解轉(zhuǎn)化。

隨著上述技術(shù)的不斷發(fā)展，黑水虻處理有機(jī)廢棄物產(chǎn)業(yè)化將日顯規(guī)模，為有機(jī)廢棄物的無害化、減量化和資源化提供有力支撐，為我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)。