光輔助機(jī)械化分離黑水虻蟲沙的參數(shù)量化研究

宋世圣， 周婷， 孫松林， 彭才望

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

自然界中，生物會進(jìn)化出各種精密且準(zhǔn)確的傳感器以適應(yīng)環(huán)境的變化。光作為最基本的環(huán)境因素之一，具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，可以直接或間接地影響生物體的行為模式[1]。趨光及負(fù)趨光行為是生物體長期進(jìn)化過程中產(chǎn)生的重要生物學(xué)特性，其本質(zhì)是生物體的視覺傳感器在受到光刺激后產(chǎn)生的行為反應(yīng)。目前，圍繞昆蟲的趨光及負(fù)趨光特性相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。YOSHIZAWA等[2]以日本鲺作為研究對象，發(fā)現(xiàn)其趨光特性具有獨(dú)特的晝夜節(jié)律。GONG等[3]發(fā)現(xiàn)果蠅幼蟲在1～3齡階段存在負(fù)趨光反應(yīng)，而在3齡至化蛹階段，負(fù)趨光反應(yīng)逐漸減弱。林嘉聰?shù)萚4]討論了不同光質(zhì)及光強(qiáng)下的蚯蚓負(fù)趨光性，為蚯蚓糞分離機(jī)械的研究提供了參考。江幸福等[5]對草地螟成蟲施加不同單色光及白光的刺激，發(fā)現(xiàn)草地螟成蟲的趨光性隨著日齡的增加而增強(qiáng)。黎柳鋒等[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過人工光照破壞夜間的黑暗環(huán)境，可干擾荔枝蛀蒂蟲成蟲交配和產(chǎn)卵。陳禎等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著光照強(qiáng)度增加，煙薊馬成蟲的趨光性整體呈波狀增強(qiáng)趨勢。黑水虻是一種雙翅目水虻科昆蟲，其幼蟲可以將有機(jī)廢棄物取食消化為富含有機(jī)質(zhì)和氮的蟲沙，具有繁殖快、轉(zhuǎn)化效率高以及對人類無害等優(yōu)點(diǎn)，其蟲糞有助于改善土壤理化性質(zhì)并提高作物產(chǎn)量[8]。陳曉瑛等討論了黑水虻幼蟲粉替代魚粉對黃顙魚幼魚生長發(fā)育的影響。竇永芳[9]等探究了光照對于黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響。目前，關(guān)于黑水虻幼蟲的避光性已有相關(guān)論述[10]，但對黑水虻幼蟲在不同光照條件下產(chǎn)生的應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)的探究還未見報道。

黑水虻幼蟲在投入餐廚垃圾10～12 d后，即可完成資源化處理，進(jìn)入到回收階段。課題組前期設(shè)計了斗式取料機(jī)及雙向螺旋取料裝置[11-12]，一定程度上可以收集并轉(zhuǎn)運(yùn)黑水虻蟲沙。但是，由于黑水虻蟲沙水分含量跨度大，現(xiàn)有滾筒篩[13]和振動篩在實(shí)際分選過程中存在粘篩堵孔的問題，其清潔率受到嚴(yán)重影響。因此，如何提升高含水率蟲沙的分離清潔率是黑水虻蟲沙機(jī)械分離環(huán)節(jié)中亟待解決的問題。目前，光分離法在昆蟲養(yǎng)殖業(yè)的實(shí)際分選中較為常見。TAUSEEF等[14]基于蚯蚓的避光性設(shè)計了光分離器，利用光源將蚯蚓從蚯蚓-基質(zhì)混合物中驅(qū)趕到單獨(dú)隔間以實(shí)現(xiàn)分離的目的。鄭濤等[15]根據(jù)蠅蛆的負(fù)趨光特性，設(shè)計了蠅蛆分離機(jī)，可以對糞料逐層刮除，使得分離率提升明顯。但是，蚯蚓、蠅蛆與黑水虻在生物特性方面還存在較大差異。因此，本研究基于黑水虻幼蟲的負(fù)趨光特性，通過探究不同光源條件下黑水虻幼蟲產(chǎn)生的光驅(qū)避反應(yīng)，量化分析光輔助逐層刮取潔凈蟲沙的分離機(jī)械所需要的重要參數(shù)，即光源條件、不同光照時間下無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分布特征，為黑水虻蟲沙在光輔助作用下的機(jī)械化分離提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)黑水虻蟲沙取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)黑水虻科研基地，原料為餐廚垃圾，成分為肉類、青菜、辣椒、土豆、蓮藕、米飯和面條等，由黑水虻幼蟲取食消化10～12 d形成。采用電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)和電子天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司，精度0.1 mg)測定蟲沙的干基含水率均值為56.3%；利用液態(tài)石蠟測定法[16]測得蟲沙的孔隙率在50%～70%之間；黑水虻幼蟲體長18～25 mm，平均體長為22.4 mm；黑水虻幼蟲體寬4～5 mm，平均體寬4.3 mm；每百條黑水虻幼蟲質(zhì)量10～19 g，每百條平均質(zhì)量為14.22 g。

1.2 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，裝置包括長×寬×高尺寸為200 mm×200 mm×300 mm的有機(jī)玻璃箱、亮度可調(diào)的LED燈(12 W，深圳市愛耐特寶科技有限公司)、窄帶濾光片(長春瑞研光電科技有限公司)、數(shù)字照度計(精度0～100 000 lx，蘇州特安斯電子有限公司)、數(shù)顯溫度濕度傳感器(溫度-50～110 ℃，濕度1%～99%，深圳市信泰微電子科技有限公司)。所選光質(zhì)分別為紅光(660 nm)、黃光(580 nm)、綠光(520 nm)、藍(lán)光(440 nm)以及白光(全光譜)，各單色光由各窄帶濾光片濾光得到。

1.LED燈；2.濾光片；3.標(biāo)尺；4.黑水虻蟲沙；5.遮光板；6.溫度濕度傳感器1；7.溫度濕度傳感器2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同光源條件的影響 為排除其他自然光源對試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)在凌晨1:00進(jìn)行，室內(nèi)環(huán)境溫度20.5～21.3 ℃，有機(jī)玻璃箱內(nèi)部蟲沙溫度20.8～21.4 ℃，無噪音干擾。試驗(yàn)裝置內(nèi)經(jīng)黑水虻生物轉(zhuǎn)化后的餐廚垃圾厚度為150 mm，光源與蟲沙表層距離250 mm。在蟲沙表層利用數(shù)字照度計測量光照強(qiáng)度并調(diào)節(jié)光源亮度，每組試驗(yàn)重復(fù)4次，每次試驗(yàn)后更換黑水虻幼蟲，以減小同一批黑水虻幼蟲帶來的誤差。溫度濕度傳感器1的探頭設(shè)置在距黑水虻蟲沙表層15 mm處，溫度濕度傳感器2的探頭設(shè)置在距黑水虻蟲沙底部50 mm處，每30 s記錄1次，共光照5 min。

篩選使黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大的光照強(qiáng)度和光質(zhì)。隨機(jī)取50頭黑水虻幼蟲均勻置于蟲沙表面并利用秒表開始計時。由于黑水虻在實(shí)際生物轉(zhuǎn)化有機(jī)固體廢物時會因各種外部原因?qū)е律倭坑紫x的死亡[17-18]，因此在90%黑水虻幼蟲從表面消失時結(jié)束計時，測得黑水虻幼蟲在不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下的消失時間。當(dāng)90%的黑水虻幼蟲從蟲沙表面消失5 min后，使用刮板在蟲沙表面進(jìn)行刮料，蟲沙原本高度值與刮板刮到第一條黑水虻幼蟲時蟲沙高度值差值為蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度。綜合比較黑水虻幼蟲在不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下的消失時間及蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度，得到黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最明顯的光照強(qiáng)度和光質(zhì)。

考察自然光源與人工光源對黑水虻幼蟲的負(fù)趨光反應(yīng)影響。將室外太陽光、室內(nèi)自然光和180 lx白光3種光源下黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為進(jìn)行對比。于2021-11-23中午12:00將試驗(yàn)裝置移到室外空地，去除LED燈及濾光片，使太陽光直射蟲沙表面，利用電子照度計測得蟲沙表面的光照強(qiáng)度，記錄該光照條件下黑水虻幼蟲在蟲沙表層的消失時間及產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度。將試驗(yàn)裝置移至室內(nèi)，使室內(nèi)自然光直射蟲沙表面，試驗(yàn)方法同上。其中，室外太陽光80 000 lx，溫度15.1～16.0 ℃；室內(nèi)自然光300 lx，溫度20.2～21.0 ℃。

1.3.2 光照時間的影響 選擇使黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大的光照強(qiáng)度和光質(zhì)，在此條件下，自90%黑水虻從表層消失起開始計時，分別在光照1、2、3、4、5、6 min后利用刮板刮取，得出黑水虻幼蟲應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大光源條件下蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度與光照時間的關(guān)系，篩選最佳光照時間。

1.3.3 頭囊寬的影響 在篩選后的光源條件及光照時間下，選取不同頭囊寬的黑水虻幼蟲進(jìn)行試驗(yàn)，均值分別為0.89、0.94、1.00、1.05、1.10 mm，試驗(yàn)方法同1.3.1，探究不同頭囊寬的黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為反應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)采用SPSS 26.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan’s顯著性分析(P<0.05差異顯著)，利用Origin 2017繪制圖線并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光源條件對黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為的影響

2.1.1 光照強(qiáng)度和光質(zhì)對黑水虻幼蟲在蟲沙表面消失時間的影響 如表1所示，除紅光外，在各光質(zhì)不變的條件下隨著光照強(qiáng)度的增大，黑水虻幼蟲消失時間均減小，且存在一定差異性。在紅光條件下，黑水虻幼蟲的消失時間與其他4種光質(zhì)存在顯著差異。在5種光照強(qiáng)度下，紅光的黑水虻幼蟲消失時間均在100 s以上，說明黑水虻幼蟲對于紅光的敏感性較差。黃光與藍(lán)光的黑水虻幼蟲消失時間在除150 lx光照強(qiáng)度下均無顯著差異，表明二者對黑水虻幼蟲的刺激作用比較相似。白光的黑水虻幼蟲消失時間相較于其他4種單色光差異顯著，且在180 lx的光照強(qiáng)度下消失時間最短，為40 s，說明黑水虻幼蟲對于白光的負(fù)趨光敏感性最大。按各光質(zhì)條件下黑水虻幼蟲的消失時間排序?yàn)榘坠?綠光<黃光<藍(lán)光<紅光。

表1 不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下黑水虻幼蟲在蟲沙表面消失時間Table 1 Disappearance time of black soldier fly larvae on the surface of frass under different light intensity and light quality s

2.1.2 光照度和光質(zhì)對無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的影響 堆體表面一定深度存在著光照，黑水虻幼蟲在光源條件的刺激下，會鉆向蟲沙深處，因此會在蟲沙表層產(chǎn)生一定厚度的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層。如表2所示，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時，紅光在5種光照度條件下與其他4種光源均具有顯著差異，且無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較小，僅有3 mm，因此紅光不適合用做黑水虻蟲沙分離的輔助光源。黃光與藍(lán)光在5種光照強(qiáng)度下，產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層均無顯著差異，且黃光與藍(lán)光對于黑水虻幼蟲的刺激作用比較相似，因此在黑水虻幼蟲的飼養(yǎng)環(huán)節(jié)中，若使用到黃光或藍(lán)光，2種光源可相互代替。在綠光刺激下，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較大，且隨著光照度的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度存在顯著差異，說明黑水虻幼蟲對于綠光的敏感性較強(qiáng)。當(dāng)光照度在150 lx及以上時，白光與綠光對無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的影響具有顯著差異，說明黑水虻幼蟲對于全光譜白光的敏感性最強(qiáng)。相較于綠光而言，白光具有方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在日常進(jìn)行黑水虻蟲沙分離時，可采用180 lx白光作為輔助光源對黑水虻蟲沙進(jìn)行照射。

表2 不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度

2.1.3 自然光源與人工光源下黑水虻幼蟲的負(fù)趨光反應(yīng)對比 將室外太陽光、室內(nèi)自然光和180 lx白光3種光源下的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。室外太陽光與另外2種光源存在顯著差異。室外太陽光的黑水虻幼蟲在表面消失時間較短，同時在消失5 min后產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度較大。而室內(nèi)自然光與180 lx白光之間無顯著差異。在上述差異基礎(chǔ)上，記錄蟲沙內(nèi)部溫度和濕度變化如圖3。室外太陽光的蟲沙表面溫度逐漸升高，底部溫度保持穩(wěn)定，表面與底部之間溫度差隨光照時間增加而增大，其余2種光源的蟲沙內(nèi)部溫度始終保持穩(wěn)定，且3種光源的蟲沙內(nèi)部濕度變化較相似，因此蟲沙內(nèi)部溫度差異可能影響黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為。因此，自然光也適合用作光分離機(jī)械的輔助光源。

2.2 光照時間與蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的關(guān)系

如圖4所示，在180 lx白光照射下，光照時間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的擬合曲線擬合程度良好，光照時間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度呈三次函數(shù)關(guān)系：f(x)=-0.18x3+1.9x2-2.5x+0.96(R2=0.99)。隨著光照時間的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度呈上升趨勢，說明隨著光照時間的增加，黑水虻幼蟲在光照作用下鉆入蟲沙深度越深。在光照時間為1～2 min時，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度增加較平緩；在光照時間為2～5 min時，隨著時間的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度增加趨勢較陡；在5 min之后，無黑水虻幼蟲的蟲沙層厚度增加趨勢再次趨于平緩。這可能是因?yàn)?80 lx的白光透過蟲沙14 mm深度時，光線變得極其微弱，光照對于黑水虻幼蟲的影響可忽略不計。因此，在實(shí)際設(shè)計光輔助分離機(jī)械時，可以每光照5 min進(jìn)行1次15 mm深度的刮料。

大寫字母表示厚度之間差異顯著(P<0.05)，小寫字母表示時間之間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同頭囊寬黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為

黑水虻幼蟲在投入餐廚垃圾10～12 d時，即可進(jìn)行回收處理[19]，此時已進(jìn)入其第五和第六齡期。不同齡期的黑水虻幼蟲對光線的敏感性不同，而頭囊寬又是識別黑水虻幼蟲齡期的重要方法[20]。因此，探究不同頭囊寬的黑水虻幼蟲對光源的反應(yīng)，為黑水虻蟲沙的光輔助機(jī)械分離提供一定依據(jù)。在180 lx白光條件下，對均值為0.89、0.94、1.0、1.05、1.10 mm 5種尺寸頭囊寬的黑水虻幼蟲進(jìn)行消失時間及無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分析。由圖5可知，隨著頭囊寬的增加，黑水虻幼蟲的負(fù)趨光性逐漸減弱，在表層消失時間變長，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度減小。其中，頭囊寬為0.89 mm的黑水虻幼蟲與1.10 mm的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為存在顯著差異，負(fù)趨光性明顯變?nèi)?。因此，在使用光分離機(jī)械分選黑水虻蟲沙時，頭囊寬較小的黑水虻幼蟲所占總數(shù)比例越大，分離效果越好。

3 結(jié)論與討論

光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景極為廣闊[21]。本研究圍繞光源條件、時間對黑水虻幼蟲的驅(qū)避作用及無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分布特征進(jìn)行討論，量化分析了光輔助機(jī)械分離過程中所需的重要工作參數(shù)。通過觀察不同光源條件下黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為，本研究證明黑水虻幼蟲對不同光質(zhì)均存在一定的負(fù)趨光反應(yīng)。其中，黑水虻幼蟲對紅光的敏感性較差，因此紅光不適合用作光分離機(jī)械的輔助光源。黑水虻幼蟲對全光譜白光產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)最大，在蟲沙表層最短消失時間為40 s，產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度可達(dá)15 mm，推測是因?yàn)槿庾V白光中存在一定的紅外光譜，在輻射蟲沙表面時產(chǎn)生大量的熱量，使蟲沙表面溫度迅速升高。在光熱協(xié)同作用下，黑水虻幼蟲產(chǎn)生了強(qiáng)烈的應(yīng)激避光反應(yīng)。通過觀察自然光源與人工光源下的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為，發(fā)現(xiàn)室外太陽光環(huán)境下產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度較大，與室內(nèi)自然光和180 lx白光差異顯著，推測有2個方面的原因。一是黑水虻蟲沙作為介質(zhì)對光有吸收作用，光線進(jìn)入蟲沙內(nèi)部后，一部分光能被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或熱能；二是太陽光中的紅外光譜使蟲沙表層溫度迅速升高，且在光照度越大時，黑水虻幼蟲產(chǎn)生的熱應(yīng)激反應(yīng)越大，而由于蟲沙底部光線透射較少，溫度保持較穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較大。

圖3 黑水虻蟲沙內(nèi)部溫度和濕度變化

圖4 光照時間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的擬合關(guān)系

在180 lx白光的作用下，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度與光照時間呈三次函數(shù)關(guān)系，這是由于光在照射蟲沙堆體時，光線經(jīng)投射及反射在堆體內(nèi)部逐漸減弱，對距蟲沙表層一定距離的黑水虻幼蟲影響較小。不同頭囊寬尺寸的黑水虻負(fù)趨光行為試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著黑水虻幼蟲頭囊寬的增加，負(fù)趨光性逐漸減弱。這種幼蟲負(fù)趨光而成蟲趨光的特性已有報道。XIANG等[22]發(fā)現(xiàn)果蠅幼蟲存在負(fù)趨光性而成蟲具有趨光性，這是因?yàn)楣壞X中具有2對神經(jīng)元對2種行為偏好進(jìn)行控制。如果在果蠅幼蟲腦中對該神經(jīng)元的活性進(jìn)行抑制，即使是負(fù)趨光的幼蟲也會變得趨光；而如果激活這2對神經(jīng)元的活性，即便是趨光的果蠅成蟲也會有負(fù)趨光反應(yīng)。

圖5 不同頭囊寬的黑水虻負(fù)趨光行為

綜合比較試驗(yàn)結(jié)果，自然光與白光適合作為黑水虻蟲沙光輔助機(jī)械化分離的光源。在該光源條件下，機(jī)械化定時、定量逐層刮取光照下的黑水虻蟲沙，不僅可以得到清潔率較高的干凈肥料，還能節(jié)省勞動力。同時，相較于傳統(tǒng)機(jī)械化分離，光輔助機(jī)械化分離黑水虻蟲沙具有不受物料水分限制、縮短分離回收時間以及減少黑水虻幼蟲機(jī)械損傷的優(yōu)勢。