黑水虻幼蟲在飼料及無(wú)害化處理應(yīng)用領(lǐng)域研究進(jìn)展

■ 張慧潔 夏 嬙

（遵義醫(yī)科大學(xué)珠海校區(qū)，廣東珠海 519041）

黑水虻(Black soldier fly, BSF)，學(xué)名亮斑扁角水虻(Hennetia illucensL.)，屬昆蟲綱、雙翅目、短角亞目、水虻科、扁角水虻屬[1]，是世界范圍內(nèi)重要資源昆蟲。黑水虻幼蟲體內(nèi)含有豐富的蛋白質(zhì)，在水產(chǎn)、禽畜的養(yǎng)殖中可替代豆粕或魚粉；幼蟲營(yíng)腐生生活，是自然界碎屑食物鏈中重要組成部分，可以將禽畜糞便、生活垃圾等廢棄物最大效率地轉(zhuǎn)化為自身所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，維持其生長(zhǎng)發(fā)育[2]，且轉(zhuǎn)化后廢棄物還是一種高附加值的有機(jī)肥料；更重要的是黑水虻成蟲不取食，在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中不傳播疾病[3]，是廢棄物無(wú)害化處理的絕佳選擇。

1 黑水虻應(yīng)用研究概述

黑水虻特殊的生物學(xué)及生長(zhǎng)特性使其具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。黑水虻幼蟲含有高達(dá)40%～46%的蛋白質(zhì)，可作為傳統(tǒng)飼料營(yíng)養(yǎng)成分如豆粕或者魚粉的替代品，用于水產(chǎn)、畜禽的養(yǎng)殖。黑水虻幼蟲富含月桂酸、甲殼素、殼聚糖，亦可以誘導(dǎo)產(chǎn)生抗菌肽，可用于動(dòng)物飼料添加劑。研究表明，月桂酸是黑水虻幼蟲主要脂肪酸之一，占幼蟲總脂肪酸含量的32%～60%，可以轉(zhuǎn)化為月桂酸甘油酯，后者具有抗病毒、抗菌和抗原生動(dòng)物的活性[4]，在禁止使用抗生素作為飼料添加劑的當(dāng)今，可以替代抗生素用于動(dòng)物養(yǎng)殖，在動(dòng)物疾病預(yù)防和治療領(lǐng)域具有巨大潛力[5]。甲殼素是僅次于纖維素的第二大天然聚合物，存在于甲殼動(dòng)物、昆蟲和一些微生物中，對(duì)于提高機(jī)體免疫機(jī)能具有重要作用。D'Hondt團(tuán)隊(duì)測(cè)定了黑水虻幼蟲樣品中甲殼素含量和乙?；?。研究表明，黑水虻軟組織的甲殼素含量約占總甲殼素含量的20%、甲殼素的乙?；冗_(dá)81.2%[6]；甲殼素可以通過(guò)特定的膜結(jié)合受體作為病原相關(guān)分子模式被免疫系統(tǒng)感知，并在防御病原體入侵時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用[7]；殼聚糖是甲殼素脫乙?；a(chǎn)物，也能夠激活致敏巨噬細(xì)胞中的NOD 樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3 炎癥小體，誘導(dǎo)釋放更多的白細(xì)胞介素（IL-1β）[8]。另外，黑水虻幼蟲先天免疫系統(tǒng)強(qiáng)大，可以在微生物含量較高的畜禽糞便或廢棄物中生活，因此，來(lái)源于黑水虻的抗菌肽具有廣泛抗菌[9]、抗癌[10]及免疫活性[11]。黑水虻幼蟲在降解廢棄物如糞肥、餐廚垃圾、沼氣污泥和城市污水污泥的過(guò)程中，不僅能降低有害物質(zhì)水平和溫室氣體排放量等，還可將有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、油、幾丁質(zhì)和維生素[12]，用于醫(yī)藥研發(fā)、化學(xué)品提煉、飼料生產(chǎn)、替代能源等多個(gè)方面。還有研究表明，利用黑水虻幼蟲無(wú)害化處理廢棄物在一定程度上可以阻止家蠅在其上產(chǎn)卵及減少家蠅幼蟲成活；與蠅蛆和蚯蚓處理廢棄物相比，其周期短、生物轉(zhuǎn)化率高，是一種特色鮮明、優(yōu)勢(shì)明顯的無(wú)害化處理策略[13-14]。

2 黑水虻幼蟲在飼料領(lǐng)域應(yīng)用研究

2.1 魚類養(yǎng)殖領(lǐng)域

我國(guó)飼料行業(yè)面臨的重大問(wèn)題之一是蛋白質(zhì)資源緊缺，黑水虻幼蟲含有豐富的蛋白質(zhì)，是傳統(tǒng)飼料中蛋白質(zhì)的優(yōu)質(zhì)替代品[15]。Weththasinghe 等[16]以魚粉和植物蛋白為基本對(duì)照日糧，研究黑水虻作為替代蛋白質(zhì)的可行性。研究表明，黑水虻幼蟲粉含量從6.25%增加到25%，顯著提高了大西洋鮭魚血漿的抗氧化能力和有效改善了腸道健康。Maulu等[17]研究表明，虹鱒魚飼用含8%～16%的黑水虻蟲粉可預(yù)防豆粕誘發(fā)的腸道炎癥并增強(qiáng)免疫反應(yīng)；飼用含16%以上的黑水虻蟲油可改善血清過(guò)氧化物酶活性，并上調(diào)腎臟組織IL-8、腫瘤壞死因子（TNF-α）、干擾素（IFN-γ）和前列腺素基因的相對(duì)表達(dá)水平。在錦鯉中，通過(guò)飼養(yǎng)試驗(yàn)研究不同昆蟲油脂對(duì)幼錦鯉生長(zhǎng)性能、脂質(zhì)代謝、炎癥及相關(guān)基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)飼料中混合50%～100%的黑水虻油脂，顯著促進(jìn)了錦鯉的生長(zhǎng)并提高了飼料利用率以及錦鯉的健康參數(shù)[18]。利用包含50%黑水虻蟲粉的飼料飼養(yǎng)虹鱒魚不僅可激活I(lǐng)L-10、TNF-α和Toll 樣受體（TLR-5）等免疫相關(guān)基因的表達(dá)，還能調(diào)節(jié)魚類腸道微生物群落及提高細(xì)菌的豐度[19]。還有研究表明，利用黑水虻蟲粉替代魚粉的飼料飼喂鱸魚，可增加魚肉中谷氨酸、天冬氨酸含量，在一定程度上增加魚肉的鮮美度[20]。

2.2 蝦類及其他水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域

以黑水虻幼蟲粉作為蛋白源添加至蝦類飼料中，不僅可以提高動(dòng)物自身抗病性和免疫力，還具有產(chǎn)出的蝦蛋白含量高、飼養(yǎng)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)[21]。Foysal 等[22]利用黑水虻蟲粉飼養(yǎng)澳洲小龍蝦，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加黑水虻蟲粉可以顯著提高小龍蝦血淋巴滲透壓、溶菌酶以及血細(xì)胞總數(shù)。陳永康等[23]用黑水虻幼蟲粉替代10%～20%魚粉，不僅提高了凡納濱對(duì)蝦的抗氧化能力，還降低了對(duì)蝦血淋巴中谷丙轉(zhuǎn)氨酶（Alanine transaminase，ALT）和谷草轉(zhuǎn)氨酶（Aspartate transaminase，AST）活性。另一項(xiàng)研究中，用黑水虻幼蟲粉替代10%、15%和20%的魚粉飼養(yǎng)中華鱉，與飼喂魚粉組相比黑水虻替代組中華鱉血清中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）活性和肝臟中總抗氧化能力顯著增加，而血清和肝臟中丙二醛水平降低[24]。

2.3 禽類養(yǎng)殖領(lǐng)域

黑水虻不僅在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用廣泛，也常被用于禽類的養(yǎng)殖，以提高禽類的生長(zhǎng)性能、營(yíng)養(yǎng)吸收及抗病和抗氧化能力。Maurer 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，蛋雞飼料中加入蛋白質(zhì)含量高達(dá)100%的黑水虻幼蟲粉對(duì)產(chǎn)蛋量、采食量或飼料轉(zhuǎn)化效率沒(méi)有負(fù)面影響。而Mat等[26]研究表明，在肉雞日糧中添加4%的脫脂黑水虻幼蟲可以在不影響肉雞生產(chǎn)性能和血液性狀的前提下替代魚粉和豆粕；Marono 等[27]研究亦發(fā)現(xiàn)，飼糧中加入17%黑水虻幼蟲可顯著提高24～45 周齡蛋雞血清鈣水平，并推測(cè)含黑水虻幼蟲飼糧可改善蛋雞腸道對(duì)鈣的吸收和代謝，進(jìn)而增加蛋殼強(qiáng)度。此外，Attivi等[28]在研究黑水虻蟲粉替代魚粉對(duì)1 日齡至68 周齡蛋雞影響試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飼喂替代比例為100%和75%幼蟲粉組蛋雞產(chǎn)蛋量相似，但顯著高于替代比例為50%試驗(yàn)組以及8%魚粉的對(duì)照組；蛋雞血清中總蛋白（Total protein，TP）、總膽固醇（Total cholesterol，TC）、三酰甘油（Triglyceride，TG）、三碘甲狀腺原氨酸（3,5,3'-triiodothyronine，T3）和T3/T4 比值也隨著黑水虻蟲粉含量的增加而顯著升高。Wallace 等[29]研究亦顯示，黑水虻幼蟲粉可替代珍珠雞日糧中高達(dá)60%的魚粉，對(duì)其血清中AST、ALT、TP、TC、TG、白蛋白（Albumin，ALB）含量無(wú)影響。但是，Marono 等[27]報(bào)道了黑水虻幼蟲粉全部替代豆粕后可顯著降低蛋雞血清中ALB/球蛋白（Globulin，GLO）、TC 和TG 水平。Heuel等[30]還推測(cè)，黑水虻幼蟲粉可通過(guò)改善肝臟、腎臟功能來(lái)提高蛋雞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，但可能受黑水虻幼蟲脫脂程度的影響而表現(xiàn)出一定的差異。還有研究表明，在火雞日糧中利用黑水虻幼蟲脂肪部分或全部替代大豆油，不僅對(duì)火雞生長(zhǎng)性能無(wú)不良影響，且還可以有效降低天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶表達(dá)水平[31]。

2.4 畜類養(yǎng)殖領(lǐng)域

因黑水虻幼蟲蛋白質(zhì)含量高、氨基酸組成均衡，且含有多種維生素、微量元素和脂肪酸，多用于替代血漿蛋白粉或者魚粉添加在仔豬飼料中，以改善其生長(zhǎng)或生產(chǎn)性能、提升產(chǎn)品質(zhì)量和提高機(jī)體健康水平。Biasato 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，部分脫脂黑水虻幼蟲粉可作為斷奶仔豬日糧中豆粕的替代飼料成分，且不會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)性能、養(yǎng)分消化率、血液特征、腸道形態(tài)或組織學(xué)特征產(chǎn)生不良影響。Yu 等[33]研究還表明，含有1%～4%黑水虻蟲粉的飼糧不僅可以調(diào)節(jié)仔豬盲腸菌群結(jié)構(gòu)和數(shù)量，還能提高短鏈脂肪酸和乙酸鹽的含量；并通過(guò)下調(diào)炎癥通路、上調(diào)黏膜屏障和發(fā)育相關(guān)通路，維持回腸免疫狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控?cái)嗄套胸i的腸道健康。Yu等[34]研究還發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加4%的黑水虻幼蟲不僅增加了肥育豬平均日增重，還部分改善了肥育豬的胴體性狀和肌肉化學(xué)組成；并通過(guò)上調(diào)肥育豬胸肌纖維中的成脂潛力和肌纖維組成相關(guān)基因表達(dá)來(lái)影響肉質(zhì)。Yu 等[35]將2%全脂黑水虻幼蟲粉替代魚粉飼養(yǎng)斷奶仔豬，結(jié)果顯示，黑水虻幼蟲粉組增加了第1～14 天仔豬的平均增重以及肝臟、胰腺和小腸的重量，降低了第1～14 天的料重比。此外，黑水虻幼蟲組還增加了仔豬血清中TP、GLO、IgA、IL-10的濃度以及空腸絨毛高度、尿素、TG和IFN-γ濃度。

2.5 飼料添加劑領(lǐng)域

因黑水虻具有抗菌、抗病毒、抗氧化及提高免疫力等特性，常用于飼料添加劑，此項(xiàng)工作開展已近40年。研究表明，黑水虻幼蟲作為水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料添加劑改善了鮭魚、鯉魚、鱒魚、鮰魚、鯰魚、羅非魚、鲆魚、鱸魚、斑馬魚、鱘魚等多個(gè)物種的生長(zhǎng)參數(shù)及提高多個(gè)物種對(duì)疾病的免疫反應(yīng)[36-37]。此外，黑水虻幼蟲作為畜禽飼料添加劑對(duì)畜禽的抗菌和抗氧化能力產(chǎn)生了積極影響。Chu 等[38]報(bào)道，飼糧中添加全脂黑水虻幼蟲粉能夠顯著增加蛋雞回腸黏膜分泌型免疫球蛋白（SIgA）含量，并增加血漿GSH-Px和總超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）的活性，從而提高42 日齡蛋雞的抗氧化能力和回腸黏膜免疫力。Lee等[39]試驗(yàn)亦表明，利用黑水虻幼蟲飼喂肉雞，可提高其血清溶菌酶活性，促進(jìn)其脾臟淋巴細(xì)胞增殖，降低沙門氏菌感染，從而減少肉雞的死亡率。Kiero'nczyk 等[31]亦發(fā)現(xiàn)，富含月桂酸的黑水虻脂肪還可以調(diào)節(jié)盲腸微生物群，并通過(guò)降低IL-6 的水平提高火雞的免疫反應(yīng)。Lei 等[40]也研究了黑水虻幼蟲粉作為飼料添加劑對(duì)比格犬的影響。研究表明，隨著黑水虻幼蟲粉含量的增加比格犬血清中TNF-α的濃度降低，而GSH-Px 和SOD 的活性增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了黑水虻幼蟲粉作為飼料添加劑的可行性。

3 黑水虻幼蟲無(wú)害化處理應(yīng)用研究

黑水虻幼蟲可以生物轉(zhuǎn)化動(dòng)物糞便、餐廚垃圾及農(nóng)業(yè)廢棄物等，并且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中可以有效抵抗微生物、寄生蟲侵襲以及抗生素和重金屬等的殘留[5]，被認(rèn)為是高效、綠色的廢棄物管理者，被廣泛用于有機(jī)廢棄物的無(wú)害化處理。

3.1 畜禽糞便無(wú)害化處理

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量的畜禽糞便，畜禽糞便含有大量的重金屬、有機(jī)污染物和病原體等，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。黑水虻幼蟲不僅能降低糞便中有害物質(zhì)水平、臭氣排放量，減少病原體的負(fù)荷、降解抗生素及降低抗性基因風(fēng)險(xiǎn)，還可減少畜禽糞便干物質(zhì)量，將糞便生物轉(zhuǎn)化為可利用動(dòng)物蛋白[41]。因此，其在無(wú)害化處理禽畜糞便方面的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，備受關(guān)注。Beskin 等[42]研究表明，黑水虻幼蟲可以降低豬、奶牛和雞等不同類型畜禽糞肥臭氣的排放量，并增加其干物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物的含量。另外，Wu 等[43]利用黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化豬糞，發(fā)現(xiàn)豬糞中病原體豐度降低了89%，腸球菌屬、難辨梭菌屬等細(xì)菌在黑水虻腸道中顯著富集；且參與金屬穩(wěn)態(tài)的功能基因在黑水虻腸道中亦明顯富集。Mazza 等[44]研究也表明，在新鮮雞糞中生長(zhǎng)的黑水虻幼蟲，其幼蟲腸道細(xì)菌對(duì)黑水虻幼蟲轉(zhuǎn)化率、幼蟲體重以及糞便減少量和營(yíng)養(yǎng)積累均具有積極影響。

利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便，還可以減少溫室氣體（Greenhouse gas，GHG）排放量，Mertenat 等[45]利用黑水虻幼蟲處理廢棄物發(fā)現(xiàn)，與直接堆肥處理廢棄物相比，加入黑水虻幼蟲處理的GHG 排放量更低。Matos 等[46]亦評(píng)估了利用黑水虻幼蟲處理豬糞、牛糞減少CH4排放量的研究，結(jié)果顯示，黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化糞便后CH4排放量與對(duì)照組（常規(guī)儲(chǔ)存）相比降低了86%。Chen 等[47]利用黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化豬糞的GHG 排放量研究亦發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)堆肥相比，利用黑水虻幼蟲處理豬糞可以有效減少CH4（72.63%～99.99%）、N2O（99.68%～99.91%）和NH3（82.30%～89.92%）的排放量。還有研究表明，糞肥的類型也會(huì)影響黑水虻的生長(zhǎng)發(fā)育。Miranda 等[48]在不考慮飼喂率的情況下，研究了飼喂家禽糞便與飼喂牛糞或豬糞對(duì)黑水虻生長(zhǎng)發(fā)育影響。結(jié)果表明，飼喂家禽糞便組黑水虻預(yù)蛹體重更重、發(fā)育周期更短、預(yù)蛹率更高、成蟲壽命更長(zhǎng)，并且能將更多資源轉(zhuǎn)化為生物量。

3.2 餐廚垃圾無(wú)害化處理

餐廚垃圾具有成分復(fù)雜、水分大、有機(jī)物含量高等特性，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，餐廚垃圾的合理化處置均是研究熱點(diǎn)。利用微生物技術(shù)處理餐廚垃圾，不僅回收效率低，還易造成環(huán)境二次污染[49]。而黑水虻幼蟲可以利用自身強(qiáng)大的消化酶有效分解各類餐廚垃圾，將其轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的蛋白質(zhì)和有機(jī)肥料；更重要的是相比蚯蚓和黃粉蟲，黑水虻幼蟲不僅能更好的應(yīng)對(duì)餐廚垃圾的溫度和濕度，還在處理成本和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等方面更具優(yōu)勢(shì)[50]。因此，利用黑水虻幼蟲無(wú)害化處理餐廚垃圾是新型的生態(tài)環(huán)保及資源化利用模式。

Nguyen 等[51]選擇了具有廣泛有機(jī)源物質(zhì)的5 種廢棄物來(lái)評(píng)估黑水虻幼蟲的消耗和還原能力。結(jié)果顯示，廚房廢棄物減少的垃圾量比標(biāo)準(zhǔn)家禽飼料高67.9%，黑水虻幼蟲發(fā)育最佳。Veldkamp 等[41]也評(píng)估了黑水虻幼蟲對(duì)七種底物的生物轉(zhuǎn)化率，亦發(fā)現(xiàn)：與其他組相比，泔水組幼蟲的干物質(zhì)含量、廢物減量指數(shù)和攝入底物轉(zhuǎn)化效率均最高。Lu 等[52]利用生物流化床處理餐廚垃圾，發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲能將C/N 從最初的21∶1降低到18∶1至14∶1，有利于餐廚垃圾的減少和幼蟲生產(chǎn)性能的提高。

3.3 病死畜禽無(wú)害化處理

病死動(dòng)物處理方式如果不科學(xué)、監(jiān)管機(jī)制不完善，將給生態(tài)環(huán)境保護(hù)、動(dòng)物疫病防控、動(dòng)物源性食品安全帶來(lái)隱患。黑水虻幼蟲在處理病死畜禽尸體及其副產(chǎn)物減量化、資源化利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。湖南長(zhǎng)沙縣是全國(guó)病死動(dòng)物無(wú)害化處理試點(diǎn)縣，該試點(diǎn)將病死豬送進(jìn)車間破碎，再經(jīng)200 ℃以上的高溫滅菌后進(jìn)行生物發(fā)酵，以此飼養(yǎng)黑水虻，再利用黑水虻飼養(yǎng)青蛙，經(jīng)過(guò)檢測(cè)黑水虻及青蛙的各項(xiàng)指標(biāo)均合格[53]；楊燕等[54]利用黑水虻幼蟲處理因豬偽狂犬病或豬藍(lán)耳病引起死亡豬病理組織，在蟲體及排泄物中均未檢測(cè)到相關(guān)的病原微生物，說(shuō)明病死豬經(jīng)過(guò)蟲體消化吸收后被完全殺滅；病死動(dòng)物高溫干化無(wú)害化處理后，再通過(guò)黑水虻生物轉(zhuǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物資源的再利用[55]。

3.4 污泥無(wú)害化處理

污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的剩余污泥，若處置不當(dāng)將會(huì)造成環(huán)境的二次污染。研究表明，黑水虻幼蟲處理污泥后，在一定程度上降低了重金屬污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。毛元坤等[56]采用黑水虻幼蟲生物處理技術(shù)對(duì)餐廚垃圾與剩余污泥的混合物處理15 d，可實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾與剩余污泥混合物20%的減量率，而處理后的混合物其基質(zhì)的含水率分別下降了23.25%和25.74%，惡臭氣味消失。Mishra 等[57]亦利用黑水虻幼蟲研究了水果廢物（FW）和污水污泥（SS）混合物生物轉(zhuǎn)化情況。結(jié)果顯示，在50 SS/50 FW 和70 FW/30 SS 原料組合中黑水虻幼蟲生物量、飼料轉(zhuǎn)化率和養(yǎng)分礦化較高。表明黑水虻幼蟲可以將水果廢物和污水污泥混合物有效的生物轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)豐富的蟲沙和幼蟲生物量，既實(shí)現(xiàn)了二者的減量化、無(wú)害化和資源化，收獲的蟲體又可資源化再利用。

4 產(chǎn)業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)無(wú)害化處理相比，利用黑水虻幼蟲進(jìn)行廢棄物無(wú)害化處理具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但黑水虻幼蟲在處理各種廢棄物的過(guò)程中，還存在許多問(wèn)題，面臨巨大的挑戰(zhàn)。如CO2排放、重金屬和抗生素殘留、工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)等均限制了黑水虻成為可持續(xù)處理生物廢棄物最有潛力資源的發(fā)展。

4.1 CO2排放

廢棄物的不合理處置可導(dǎo)致GHG 釋放到環(huán)境中，加劇環(huán)境污染和氣候變化。Chen 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)堆肥相比利用黑水虻幼蟲處理豬糞雖然有效減少CH4、N2O 和NH3的排放，但CO2的排放量會(huì)有所增加。Parodi等[58]亦比較了含有黑水虻幼蟲糞肥和不含黑水虻幼蟲糞肥組溫室氣體排放量的差異，發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲處理組釋放CO2水平較高。也有研究認(rèn)為，飼養(yǎng)黑水虻幼蟲的有機(jī)廢棄物類型在很大程度上決定了對(duì)外界環(huán)境的影響。如，利用具有食物或飼料價(jià)值的有機(jī)廢棄物作為生產(chǎn)黑水虻生物質(zhì)的基質(zhì)時(shí)，對(duì)全球變暖潛能影響明顯高于利用豆粕和魚粉作為基質(zhì)飼養(yǎng)組；利用動(dòng)物糞便和餐廚垃圾飼養(yǎng)黑水虻幼蟲，對(duì)全球變暖影響明顯亦高于利用魚粉和豆粕飼養(yǎng)組[59]。這也是將來(lái)黑水虻生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)化所面臨的一個(gè)環(huán)境挑戰(zhàn)。

4.2 重金屬、抗生素殘留

黑水虻幼蟲食性雜，在生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的同時(shí)，還可有效減少?gòu)U棄物中重金屬、抗生素、耐藥基因等的殘留，具有較大的發(fā)展?jié)摿60]。研究表明，黑水虻幼蟲對(duì)豬糞中不同重金屬元素的吸收機(jī)制不同，如Cu 等重金屬是與金屬硫蛋白結(jié)合或螯合在囊泡中，從而使Cu 等重金屬失活，再通過(guò)胞吐作用從消化道排出體外；而Pb 可能是將其儲(chǔ)存在顆粒中或與金屬硫蛋白結(jié)合而失活，然后富含Pb 的顆粒被運(yùn)輸并固定在角質(zhì)層中，積累的重金屬通過(guò)蛻皮排出體外[61]。黑水虻幼蟲雖然具有降低有機(jī)廢棄物中Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+等重金屬離子含量的能力，但是，過(guò)量的重金屬離子在黑水虻幼蟲體內(nèi)積累，給黑水虻幼蟲的飼料化應(yīng)用亦帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)[62]。還有文獻(xiàn)表明，利用黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物，亦可消減廢棄物中抗生素(如土霉素、四環(huán)素)和耐藥基因（如編碼產(chǎn)生青霉素結(jié)合蛋白PBP2a 的結(jié)構(gòu)基因mecA、Ⅰ型整合酶基因intⅠ1、Ⅱ型整合酶基因intI2)）等殘留問(wèn)題[63]；利用黑水虻生長(zhǎng)曲線與抗生素降解曲線，可以更加安全有效的利用黑水虻幼蟲處理有機(jī)廢棄物，并為建立昆蟲蛋白的藥物殘留監(jiān)測(cè)研究提供了基礎(chǔ)[64]。但是，在黑水虻生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物巨大發(fā)展?jié)摿Φ谋澈?，仍然面臨著許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，例如，黑水虻將廢棄物中的有害物質(zhì)富集入體，雖然減少了環(huán)境污染，但也限制了其在飼料、食品等領(lǐng)域的應(yīng)用。如何有效解決二者沖突，亦是黑水虻生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)化所面臨的另一個(gè)問(wèn)題。

4.3 大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)

黑水虻幼蟲在無(wú)害化處理有機(jī)廢棄物時(shí)，具有食性雜、生物轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值大、處理環(huán)節(jié)綠色無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，在無(wú)害化處理領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，但其用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的操作流程還有待進(jìn)一步提高。

4.3.1 提高轉(zhuǎn)化率的挑戰(zhàn)

目前用于提高黑水虻幼蟲處理廢棄物生物轉(zhuǎn)化效率的方法主要有兩種。一是探索不同的生物廢物配方；Rehman 等[65]利用一種新的牛糞、雞糞共消化工藝來(lái)飼養(yǎng)黑水虻幼蟲，發(fā)現(xiàn)40%牛糞和60%雞糞的試驗(yàn)組與純牛糞組相比所得結(jié)果更佳，纖維素消耗顯著增加到61.19%、半纖維素消耗增加到53.22%、木質(zhì)素消耗增加到42.23%。Li 等[66]研究了不同比例豆渣和廚余垃圾混合物作為飼料對(duì)黑水虻性能的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑水虻幼蟲飼喂30%豆渣和70%餐廚廢物時(shí)，幼蟲生物量、生物轉(zhuǎn)化率和幼蟲粗脂肪含量均最高。Gold[67]亦認(rèn)為蛋白質(zhì)與可消化碳水化合物、氨基酸的數(shù)量、質(zhì)量以及它們的比例和不同類型碳水化合物平衡的生物廢物配方對(duì)工藝性能影響很大，具有增加工藝性能效率和可靠性的潛力。開發(fā)出不同類型廢物的混合配方比的確比處理單一類型的廢物流更高效、更有前途，但是不論是在不同生物廢物類型、蛋白質(zhì)與碳水化合物比例還是不同氨基酸互補(bǔ)的生物廢物配方等多個(gè)角度飼養(yǎng)基質(zhì)的探索中，都只是局限于小規(guī)模的試驗(yàn)，而如何找出一個(gè)最高效的配方投入到大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中，還需更進(jìn)一步的研究。二是利用有益微生物對(duì)生物廢棄物進(jìn)行預(yù)處理或共處理。Xiao 等[68]將黑水虻幼蟲腸道分離出的枯草芽孢桿菌添加到雞糞中與幼蟲進(jìn)行共轉(zhuǎn)化時(shí)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組(無(wú)枯草芽孢桿菌)相比，黑水虻幼蟲的重量增加了15.9%，轉(zhuǎn)化率增加了12.7%，雞糞減少率增加了13.4%。Zheng 等[69]利用黑水虻幼蟲和微生物Rid-X共轉(zhuǎn)化稻草和餐飲垃圾時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有Rid-X 的情況下，大約27.9%的纖維素和32.6%的半纖維素被黑水虻幼蟲降解，當(dāng)向轉(zhuǎn)化體系中引入0.35%的Rid-X時(shí)，65.5%的纖維素和56.3%的半纖維素被消化，轉(zhuǎn)化率顯著提高。另外，向糞便中添加益生菌，也可以提高黑水虻幼蟲的產(chǎn)量和生物轉(zhuǎn)化率[70]。這些結(jié)果均表明微生物在提高黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化性能中發(fā)揮重要作用。但是，在大多數(shù)研究中，微生物一旦被添加后就不再繼續(xù)監(jiān)測(cè)，這些微生物可能在飼養(yǎng)基質(zhì)存活，并對(duì)黑水虻幼蟲產(chǎn)生影響[71]。找出微生物添加后在黑水虻體內(nèi)合適的監(jiān)測(cè)方法和檢測(cè)指標(biāo)，是黑水虻大規(guī)模無(wú)害化生產(chǎn)領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。

4.3.2 黑水虻幼蟲養(yǎng)殖的挑戰(zhàn)

黑水虻幼蟲無(wú)害化處理廢棄物的成功開展需要大規(guī)模生產(chǎn)黑水虻，反過(guò)來(lái)，黑水虻的大規(guī)模收獲又需要飼養(yǎng)、收獲和加工的機(jī)械化和自動(dòng)化。研究發(fā)現(xiàn)，在黑水虻的養(yǎng)殖研究中，缺乏對(duì)黑水虻飼養(yǎng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。不同的操作參數(shù)例如生物廢物的種類及配比、投料方式、投料間隔、進(jìn)料速率、幼蟲密度、室溫、料溫、濕度和收獲時(shí)間等都可能會(huì)帶來(lái)不同的結(jié)果。就溫度濕度而言，黑水虻幼蟲對(duì)溫濕度非常敏感，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致幼蟲進(jìn)食量下降、生長(zhǎng)緩慢，溫度過(guò)高幼蟲則會(huì)停止進(jìn)食、發(fā)生逃離行為；濕度過(guò)高除會(huì)誘發(fā)疾病外還會(huì)帶來(lái)更大的危害，黑水虻幼蟲會(huì)因?yàn)轱暳橡裢笟庑圆疃劳?，而太過(guò)干燥的環(huán)境則會(huì)影響幼蟲的進(jìn)食效率和生長(zhǎng)速度[72]。除了養(yǎng)殖過(guò)程中注意對(duì)環(huán)境溫度、濕度的把控外，料溫的變化也是黑水虻轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物過(guò)程中重要的性能指標(biāo)之一。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于處理餐廚垃圾，投料次數(shù)的增加會(huì)對(duì)料溫的波動(dòng)產(chǎn)生較大影響，這將不利于幼蟲快速生長(zhǎng)；在黑水虻轉(zhuǎn)化廢棄物前期物料含水率低有利于幼蟲生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化后期物料含水率高則更為有利[73]。所以需要我們?cè)诓煌瑥U物、不同處理階段，對(duì)溫度和濕度進(jìn)行精準(zhǔn)把控，才能提高黑水虻的生產(chǎn)性能。

4.3.3 降低經(jīng)濟(jì)成本的挑戰(zhàn)

有研究總結(jié)了黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能，發(fā)現(xiàn)黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能隨著操作地點(diǎn)、使用的基質(zhì)、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品的預(yù)期用途而顯著變化。使用技術(shù)平托盤系統(tǒng)的批量操作模式處理黑水虻幼蟲并生產(chǎn)動(dòng)物飼料，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且需要生產(chǎn)空間大，比利用魚粉和豆粕等生產(chǎn)傳統(tǒng)動(dòng)物飼料的成本更高[74-75]；另外，因黑水虻幼蟲含水量高，收獲后需要采取烘干的方式進(jìn)行保存、運(yùn)輸和使用，需要大量的能耗。Huang等[76]研究了常溫干燥與微波干燥兩種方法對(duì)黑水虻幼蟲影響，發(fā)現(xiàn)常規(guī)干燥黑水虻幼蟲，其必需氨基酸評(píng)分及可消化性均較好，更適合養(yǎng)殖黑水虻；但常規(guī)干燥速度慢、效益低、周期長(zhǎng)、溫度不易控制，可能會(huì)給大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)帶來(lái)效率和經(jīng)濟(jì)的難題。

5 展望

黑水虻在飼料添加劑及無(wú)害化處理領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，但將其合理運(yùn)用到廢棄物資源化處理應(yīng)用中仍面臨許多需持續(xù)探索的問(wèn)題。首先，黑水虻幼蟲大規(guī)模工業(yè)化生物轉(zhuǎn)化廢棄物目前還處于探索階段，未來(lái)的研究應(yīng)該重點(diǎn)在如何建設(shè)具有更高黑水虻幼蟲密度的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)；其次，隨著黑水虻幼蟲無(wú)害化處理廢棄物規(guī)模的擴(kuò)大，黑水虻幼蟲分解廢棄物產(chǎn)生的可利用蛋白及蟲沙的安全性和再次利用問(wèn)題亦值得進(jìn)一步研究；再次，黑水虻幼蟲無(wú)害化處理廢棄物目前還未有標(biāo)準(zhǔn)化體系，建立無(wú)害化處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，也是黑水虻幼蟲無(wú)害化處理應(yīng)用急需解決的問(wèn)題。此外，黑水虻幼蟲無(wú)害化處理廢棄物副產(chǎn)品如蛋白、脂肪等雖然在水產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖方面應(yīng)用廣泛。但是，作為人用保健品或者藥物，克服人類在其使用時(shí)的社會(huì)心理障礙問(wèn)題亦是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。