黑水虻腸道微生物對工業(yè)化養(yǎng)殖的影響

■ 謝久鳳 羅夢香 張 森 郝尚華 王明道

（河南農業(yè)大學生命科學學院，河南鄭州 450002）

全球人口預計到2050 年將會增加到92 億，快速增長的人口對動物蛋白的需求也在增加，動物規(guī)?；曫B(yǎng)已成為趨勢。當前，我國飼料糧供給相對短缺，魚粉、大豆、棉籽餅等[1]傳統(tǒng)的動物飼料蛋白質來源主要依賴進口，高蛋白飼料的自主供應則成為制約我國養(yǎng)殖業(yè)高質量發(fā)展的重要因素。亟需尋求一種成本低且可持續(xù)的新的高質量蛋白來解決這一難題。昆蟲已被證明是飼料蛋白質的最佳來源[2-3]。黑水虻作為一種重要的資源和環(huán)境保護昆蟲目前已被廣泛應用于養(yǎng)殖業(yè)中。

黑水虻最初起源于美洲，存在于全球大部分熱帶和溫帶地區(qū)[4]，這種昆蟲的壽命是40～45 d，4 d從卵中孵化，在13～18 d 內經歷5 個幼蟲期，然后是成蟲飛行時期直至前蛹階段[5]。成年黑水虻不再進食，在這段時間內雌雄交配并在5～8 d 的產卵期內雌性產卵500～900 枚[6]。這種昆蟲主要以動物糞便和腐質物質為食，如雞糞、豬糞和牛糞等，還有其他有機廢棄物如餐飲垃圾、城市市政有機垃圾、魚內臟、蔬菜殘渣、咖啡豆?jié){、稻草和含可溶性顆粒的干酒糟[7-10]。黑水虻幼蟲可以直接作為飼料應用，其營養(yǎng)物質豐富，粗蛋白約占總干重的35%～49%，脂肪占總干重的29%～35%，其氨基酸種類和含量與魚粉接近[11-14]。黑水虻可以將有機廢物高效率地轉化成粗蛋白和油脂等營養(yǎng)物質，不會產生甲烷和二氧化碳等有害氣體。黑水虻既不是害蟲也不是病媒，不會污染環(huán)境，飼養(yǎng)空間小，成本低效率高，可以進行工業(yè)化養(yǎng)殖，以滿足養(yǎng)殖業(yè)中對蛋白質的需求[15]。在黑水虻養(yǎng)殖過程中，除飼料種類、飼養(yǎng)環(huán)境等基礎條件外，共生微生物也直接參與昆蟲的代謝活動，與消化、吸收、免疫、抵御外來病原體侵入密切相關，在保證生物轉化和蟲體健康中起著重要的作用[16-18]，共生微生物成為進一步提高工業(yè)化養(yǎng)殖水平關鍵因素。文章就黑水虻腸道微生物相關研究進行論述，以期為黑水虻幼蟲大規(guī)模工業(yè)化養(yǎng)殖提供參考。

1 黑水虻的應用及工業(yè)化養(yǎng)殖現狀

1.1 黑水虻的應用

黑水虻是一種雜食性昆蟲，可以將許多類型的有機廢物如廚余垃圾、牲畜糞便、變質水果和蔬菜、農作物廢棄物和食品加工廢物轉化為蛋白質、脂類、肽、氨基酸、甲殼素、維生素、多肽、蛋白質和氨基酸。黑水虻幼蟲作為水產養(yǎng)殖中的飼料添加劑已經在歐盟獲得批準，用黑水虻幼蟲部分或全部替代膳食魚粉已在各種魚類中例如鉤吻鮭[19]、日本海馬[20]、大西洋鮭[21-22]、歐洲海鱸[23]、雜交羅非魚[24]和稻田鰻魚黃鱔[25]成功應用。有學者用15%黑水虻幼蟲替代虹鱒對照組中的50%的魚粉（對照組含有20%的魚粉作為蛋白質來源），結果顯示黑水虻幼蟲可以影響鱒魚腸道微生物群的代謝活動，可提高膳食碳水化合物的利用率，提升宿主代謝能力，改善健康狀況[26]。目前已有學者針對黑水虻作為家禽和豬等牲畜飼料可行性進行了研究[27-29]。有學者證明飼料中添加黑水虻幼蟲可以促進豬和家禽的消化率，提高生長性能[30]；Schiavone等[31]使用全脂黑水虻幼蟲代替50%或100%的大豆油，結果表明肉仔雞生長性能、血液生化免疫參數和腸道健康的免疫功能沒有受損。黑水虻幼蟲可以替代傳統(tǒng)的蛋白質飼料成分，如豆粕和魚粉。Maurer等[32]用脫脂黑水虻幼蟲替代蛋雞日糧中50%或100%的豆粕，對蛋雞飼料攝入量、蛋產量、蛋黃、殼重和死亡率無不良影響。Onsogo 等[33]獲得了類似的結果，他們指出日糧中添加10%黑水虻幼蟲可增加肉雞的最終體重。Kawaseki 等[34]指出，添加10%的黑水虻幼蟲對飼料攝入量、體重、肝臟重量、產蛋率和蛋殼重量沒有影響，增加了盲腸微生物群。

1.2 黑水虻在國內工業(yè)化養(yǎng)殖現狀

黑水虻養(yǎng)殖在國內作為新興產業(yè)，已有十余年的研究歷程。研究單位主要有廣東省昆蟲研究所、華中農業(yè)大學、中山大學、華南農業(yè)大學、廣東省珠海市農業(yè)科學研究中心、廣州無兩生物科技有限公司等。國內已經掌握黑水虻規(guī)?；B(yǎng)殖技術，對腸道微生物結構分析及抗菌肽方面也有深入研究。

黑水虻飼養(yǎng)工藝簡單，飼養(yǎng)成本低，回報高，國內外已經形成了規(guī)?；B(yǎng)殖[36]。全球黑水虻市值2021年達到1.8 億美元，預計在2022 年—2028 年的預測期間內，以34.00%的年復合成長率（CAGR）增長，到2028 年達到14 億美元。我國黑水虻養(yǎng)殖區(qū)域分布于貴州、廣西、廣東、上海、海南、云南、湖南、湖北等地。黑水虻是一種雜食性動物，食量大、營養(yǎng)需求低，人工飼料、畜禽糞便、餐廚垃圾、有機廢棄物、食品加工廢料、腐爛果蔬等都可以作為其飼養(yǎng)基質[37]。黑水虻食譜廣可降解各類有機物完全得益于其腸道微生物群落結構特點和功能屬性[38]。

2 黑水虻幼蟲腸道微生物特點

2.1 黑水虻幼蟲腸道結構功能特點

昆蟲腸道菌群一般是外部環(huán)境和食物中的微生物經腸道環(huán)境選擇后所得的，昆蟲具有與其生存環(huán)境和攝食方式相適應的消化道結構，一般可分為3 個主要區(qū)域：前腸、中腸和后腸[39]。黑水虻幼蟲腸道微生物主要受底物飼料、飼養(yǎng)環(huán)境及其微生物群落組成等影響，菌群種類的組成和比例處于動態(tài)變化中。不同飼養(yǎng)方式主要對黑水虻幼蟲腸道中腸區(qū)域微生物多樣性有影響，中腸三個部分的微生物群落在數量和組成有明顯不同。中腸前部的微生物多樣性最高，中部和后部逐漸減少。黑水虻幼蟲攝入食物對腸道微生物的影響主要集中在中腸前部，不會引起腸道生物功能失調[40]。

黑水虻幼蟲具有很強的消化能力，可以生物轉化各種不同的有機廢棄物，研究表明黑水虻幼蟲腸道微生物在這些過程中起著重要作用[41]。腸道微生物可以參與昆蟲的代謝活動，把昆蟲難以消化的物質降解成易于吸收的小分子物質，提高飼料的轉化率。黑水虻腸道細菌可以對飼料中的菌群產生影響，飼料中的菌群同樣可以影響黑水虻腸道的菌群，兩者的相互影響形成了一個介于兩者之間的中間新生態(tài)位[42]。黑水虻和其他昆蟲一樣，其腸道菌群系統(tǒng)是開放的，所以外部環(huán)境可以影響黑水虻腸道菌群使其產生變化，而黑水虻也可以通過排泄、體液、皮膚等多種方式將自身的腸道菌群排出體外，改變外部環(huán)境中的菌群結構[43]。

2.2 黑水虻幼蟲腸道微生物組成特點

很多研究表明黑水虻幼蟲腸道微生物菌群與飼料種類密切相關，飼料的不同種類會致使腸道菌群種類及數量有顯著的不同。研究幼蟲腸道微生物群和飼料基質之間的相互作用對幼蟲的生長發(fā)育至關重要，腸道微生物多樣性與飼養(yǎng)基質中的營養(yǎng)復雜性和細菌群落相關。黑水虻幼蟲有一個穩(wěn)定的腸道核心微生物組，變形桿菌、厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門是腸道中的核心微生物組[44]，在幼蟲發(fā)育生長階段不會因為飼養(yǎng)環(huán)境的變化而顯著變化。

越來越多的研究證明不同飼養(yǎng)機制會影響黑水虻幼蟲腸道微生物多樣性，而腸道微生物組則會影響昆蟲的生物學特性和生理學功能，因此了解黑水虻幼蟲腸道微生物組成和功能有助于提高昆蟲的性能和促進生長。黑水虻幼蟲之所以具有降解廣譜有機物質的能力完全得益于其腸道微生物菌群的結構和功能。腸道菌群影響昆蟲的攝食、消化、排泄，還可抵抗病原體的侵入[45]。了解黑水虻幼蟲腸道微生物組成及其影響因素對于提高黑水虻幼蟲工業(yè)化養(yǎng)殖至關重要。紀佳雨[46]以黑水虻生物轉化豬糞蟲沙混合物、豬糞（即對照組）為研究對象，采用高通量測序技術研究黑水虻返飼前后微生物的多樣性分析，試驗后蟲糞豬糞組飼養(yǎng)的黑水虻腸道門水平的物種為厚壁菌門（88.79%），變形菌門（6.36%），擬桿菌門（2.96%），軟壁菌門（1.62%），放線菌門（0.25%），其他（0.05%）。試驗后豬糞組飼養(yǎng)的黑水虻腸道門水平的物種為厚壁菌門（99.34%），擬桿菌門（0.17%），軟壁菌門（0.03%），放線菌門（0.01%），變形菌門（0.16%），螺旋體門（0.01%），其他（0.01%）。很多研究都只針對黑水虻幼蟲腸道細菌群落而忽視了真菌群落，有研究證明真菌群落在消化中也起重要作用。棉籽壓餅是棉花生產的一種副產物，富含蛋白質和脂類，也含有有毒的多酚化合物棉酚，不適合作為動物飼料，因為會導致動物生長抑制、不孕和消化障礙。但黑水虻幼蟲在棉籽壓餅上飼養(yǎng)發(fā)育正常，甚至生命周期更短，這可能與黑水虻幼蟲腸道微生物組多功能性有關，擴增子測序結果顯示曲霉菌科在腸道中顯著富集，目前僅在棉籽壓餅飼養(yǎng)的幼蟲腸道中檢測到了這類菌，這表明它們可能在腸道內降解棉酚[47]。

3 影響黑水虻幼蟲腸道微生物的主要因素

3.1 選擇性飼料對黑水虻幼蟲腸道微生物的影響

利用選擇性飼料飼喂黑水虻幼蟲，可以豐富黑水虻幼蟲腸道內某些特定菌群，如用雞飼料飼喂黑水虻幼蟲時，芽孢桿菌科相對豐度較低，但當使用高纖維飼料時芽孢桿菌科含量就會變得豐富；低營養(yǎng)水平飼喂黑水虻幼蟲時在腸道內易于分離放線菌和短桿菌[48]；用富含角蛋白或木質素的飼料飼喂黑水虻幼蟲容易分離金桿菌、谷氨酸桿菌、和瘤胃桿菌[49]。金桿菌和谷氨酸桿菌在用普通飼料飼喂的黑水虻幼蟲腸道內通過擴增子測序未檢測到，說明這些菌種的存在高度依賴于飼料種類[50]。以垃圾為基質飼喂的幼蟲腸道內鑒定出了176 種菌落，小牛飼料和煮熟的大米飼喂的幼蟲腸道中鑒定出了41 種和36 種菌落，發(fā)現用垃圾飼喂的黑水虻幼蟲腸道細菌多樣性高于用小牛飼料或煮熟的大米飼喂的黑水虻幼蟲[51]。

3.2 生理狀態(tài)改變對黑水虻幼蟲腸道微生物的影響

黑水虻幼蟲腸道微生物群落結構和代謝活性功能也受其攝食狀態(tài)的影響，有研究表明饑餓會導致黑水虻幼蟲腸道微生物群落結構和功能的變化。饑餓這種生理狀態(tài)主要影響腸道微生物組的兩個方面，在門水平上群落多樣性顯著降低；五個屬級（放線菌屬、微桿菌屬、腸球菌屬、鞘氨醇桿菌屬和白鈷桿菌屬）在饑餓開始后24 h和48 h內具有顯著不同的相對豐度，即使在持續(xù)時間短（例如24 h）的情況下，也會由于缺乏完整的細菌群和相關功能而阻礙幼蟲生長和生物轉化效率[52]。

3.3 添加微生物對黑水虻幼蟲腸道微生物的影響

研究表明黑水虻幼蟲腸道細菌能夠改善宿主生長狀況，從營養(yǎng)豐富的飼喂的黑水虻幼蟲腸道中可篩選到地衣芽孢桿菌H169 和嗜麥芽窄食單胞菌H121，將其添加到營養(yǎng)匱乏的飼料基質中可促進黑水虻幼蟲的生長[53]。有研究者從黑水虻幼蟲腸道內分離到6 株功能菌株：球形賴氨酸桿菌、奇異變形桿菌、弗氏檸檬桿菌、糞假檸檬桿菌、人假檸檬桿菌和糞腸球菌，將這6 株功能菌添加到無菌飼料基質中，以無菌飼料基質為空白對照來評估人工干預條件下黑水虻幼蟲腸道微生物群變化。結果顯示球形賴氨酸桿菌的豐度顯著高于其他菌，推斷球形賴氨酸桿菌可以在幼蟲的腸道中定植[54]。腸球菌、普羅維登西亞菌、克雷伯菌和芽孢桿菌在黑水虻幼蟲之間由于飲食的變化具有很大的差異性[55]。為了更好地消化、分解和利用各種有機廢棄物，可利用內源性細菌構建黑水虻幼蟲腸道微生物功能性協(xié)同轉化系統(tǒng)。腸道共生體在昆蟲飼養(yǎng)中是一個很有前途的研究領域，可以評估宿主在不同有機質飼養(yǎng)的可行性，為黑水虻幼蟲工業(yè)化養(yǎng)殖提供理論和實踐支持。紀佳雨[46]研究表明在蟲糞返飼后黑水虻腸道內和剩余物中的微生物的豐富度、多樣性、相似性、優(yōu)勢菌群遠遠高于單純豬糞飼養(yǎng)的黑水虻組，黑水虻蟲糞返飼顯著提高黑水虻產量、提高轉化率。

4 討論

豆粕和魚粉是養(yǎng)殖動物飼料中蛋白質的主要來源，由于豆粕和魚粉人類也需要，這就造成了豆粕和魚粉需求的增加和價格上漲[56]，因此低成本、易于獲得的可持續(xù)的動物蛋白飼料來源——黑水虻受到越來越多的關注。它具有適合工業(yè)化養(yǎng)殖的特點，成本低、工藝簡單、無污染、生長周期短，最主要的特異性是能夠將有機廢棄物基質轉化為高營養(yǎng)物質的生物質。

黑水虻幼蟲能在病原體含量高的環(huán)境中生存，得益于腸道微生物組產生抗微生物肽及昆蟲免疫系統(tǒng)的綜合效應。有益微生物定植在腸道和飼料基質，從而增強黑水虻幼蟲對病原體的抵抗功能[57-58]。這些有益的微生物可以誘導宿主產生抗微生物肽，增強免疫力抗生素代謝物的產生。從黑水虻幼蟲腸道中篩選出的有益菌可以直接添加到黑水虻幼蟲飼料基質中，有助于減少病原體并維持黑水虻幼蟲腸道健康。飼料基質中添加內源性細菌不僅會預消化底物，還能在腸道內定植，提高幼蟲生長的能力，實現更有效的生物轉化[59]。

黑水虻幼蟲腸道可能吸收基質中的病原體[60],這些物質可能會轉移到動物飼料甚至動物體內，對人類健康造成危害[61]。雖然幼蟲腸道內會產生抗微生物肽，然而迄今為止進行的研究未能證明腸道內的病原體能被徹底根除。Tanga 等[62]報道了飼養(yǎng)基質中的彎曲桿菌可存在于黑水虻幼蟲腸道中；Evalyne 等[63]在以黑水虻幼蟲喂養(yǎng)的蛋雞腸道內檢測到了彎曲桿菌；Lalander等[64]在以人類糞便喂養(yǎng)的幼蟲腸道內檢測到一株腸炎沙門氏菌，腸球菌屬在8 d 以上不受幼蟲的影響，這些觀察結果表明黑水虻幼蟲能夠減少在基質中的特定病原體，自身不會使這些病原體積累，但可能會導致喂食黑水虻幼蟲衍生飼料的動物發(fā)生疾病并傳播給人類[65]。因此，選擇安全的黑水虻幼蟲工業(yè)化養(yǎng)殖生產的飼料基質至關重要，從基質中收獲幼蟲后應采取進一步加工以確保所有致病性病原體被完全消除，限制它們向飼料鏈轉移。

5 小結

微生物群落在昆蟲生命周期中的確切功能是什么還尚不清楚，許多黑水虻幼蟲腸道細菌分離物對病原體抑制機制還有待研究。黑水虻幼蟲腸道微生物群形成了一個動態(tài)的復雜群落，在其生命周期的各個方面發(fā)揮著一定的作用，其組成是在優(yōu)化工業(yè)化養(yǎng)殖過程需要考慮的重要參數。