蠅蛆是最理想的“垃圾清道夫”

張淼

“夏須甕盛泥封，勿令蠅蛆。”北魏時期，賈思勰在介紹農(nóng)業(yè)技術(shù)的《齊民要術(shù)》中提到，夏天要用泥土封口的容器存放農(nóng)作物，以免生蛆。這可能是對“蛆”的最早記載。

蛆是蒼蠅的幼蟲，自古以來，我們就把它視為污穢之物，避而遠之。上世紀六十年代以來，生態(tài)與環(huán)境科學家發(fā)現(xiàn)了蠅蛆不僅能降解環(huán)境廢棄物，還是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來源，便開始利用它來處理動物養(yǎng)殖的糞便。

最近，浙江大學環(huán)境與資源學院副教授張志劍帶領(lǐng)團隊進一步發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物能夠降解動物糞便中的抗生素及耐藥基因。業(yè)內(nèi)人士指出，蠅蛆的這一新功能將會對解決中國飼養(yǎng)業(yè)的突出環(huán)境問題提供新思路，這是一項有味道的科學進展。

嗜腐性的“分解者”

2011年前后，浙江德清縣新安鎮(zhèn)的生豬養(yǎng)殖場規(guī)模越做越大，如何處理豬糞成為當?shù)剞r(nóng)民最大的困擾。當時，3萬多頭生豬每天要產(chǎn)生糞便30多噸，已經(jīng)成為當?shù)刈畲蟮奈廴驹础Ｗ罱K，在張志劍的幫助下，村民鄭建國通過養(yǎng)殖以糞便為食的蠅蛆，解決了豬糞處理的問題。此次成功的實踐離不開人們對蠅蛆習性的科學認識。從生態(tài)學上講，家蠅及其幼蟲均屬“雙翅目（Musca domestica）”，在地球生態(tài)系統(tǒng)中扮演著“分解者”的角色。多年來，正是利用這一特殊的天然屬性，科學家們將蠅蛆馴化成一種昆蟲與環(huán)境微生物協(xié)同作用的新型生物反應(yīng)器。

事實上，一開始，研究蠅蛆的科學家們并不具備生態(tài)學的觀點，只是單純地追求蠅蛆身上優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)。長久以來，生產(chǎn)蛋白質(zhì)一直是科學家們對蠅蛆關(guān)注的重點。特別在蛋白質(zhì)飼料全球短缺的今天，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）也倡議，開展可食用昆蟲為主的“微家畜農(nóng)場”研發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)“蟲粉”替代“魚粉、豆粉及奶粉”。

1969年，美國科學家米勒（Miller B.F）在探索各類蠅蛆飼養(yǎng)環(huán)境時首次提出，蠅蛆能夠作為飼料為畜禽提供蛋白，同時養(yǎng)雞場的條件也非常有利于蠅蛆從卵長成蛹，兩者可以相互利用。也有專家指出，米勒的假設(shè)在商業(yè)上難以實現(xiàn)規(guī)模化。隨后，米勒在研究中發(fā)現(xiàn)，蠅蛆在養(yǎng)雞場中的作用遠不止提供優(yōu)質(zhì)蛋白，它更是一種處理雞糞的絕佳“反應(yīng)器”。他指出，27攝氏度和濕度為60%到75%的新鮮家禽糞便，是蠅蛆最佳的發(fā)育環(huán)境。在為期5到7天處理周期內(nèi)，蠅蛆降解糞便有機質(zhì)高達80%，同時每處理一噸糞便，能獲得新鮮蠅蛆65千克到90千克。這些蠅蛆的粗蛋白含量達到60%以上。

隨后，米勒的這篇論文被大量引用。荷蘭、英國、西班牙等國家的動物學家及環(huán)境科學家也紛紛采用，以應(yīng)對規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞便污染和飼料蛋白不足的雙重問題。

2012年，斯洛伐克科學院動物研究所研究人員海倫娜·西柯科娃（Helena Cickova）和同事們從兩個商業(yè)養(yǎng)豬場和動物技術(shù)中心獲得了三個不同來源的豬糞。研究人員隨后對這些糞便被蠅蛆降解的數(shù)據(jù)進行了詳細記錄。研究發(fā)現(xiàn)，蠅蛆能讓豬糞降解40%至80%。定量的數(shù)據(jù)比定性的描述讓環(huán)境科學家們感到更加興奮。

張志劍告訴記者，蠅蛆的作用主要是“酶降解”。“蟲體內(nèi)臟，特別是消化系統(tǒng)的分泌物能將廢物中蛋白質(zhì)、脂肪及碳水化合物等有機大分子快速地降解成易溶解、易吸收的小分子有機物。進一步地，大約三分之二的小分子有機物通過蠅蛆新陳代謝進一步降解成二氧化碳、水及無機物質(zhì)，而約三分之一的有機物通過生長發(fā)育轉(zhuǎn)化成蠅蛆體本身。”

工程化應(yīng)用

作為世界養(yǎng)殖大國，中國科學家在開展蠅蛆處理養(yǎng)殖廢棄物的技術(shù)研究上貢獻良多。例如，江蘇農(nóng)科院趙偉等研究人員指出，蠅蛆處理技術(shù)可顯著減少雞糞的排放量，而用雞糞替代90%蠅蛆培養(yǎng)基（如麩皮），產(chǎn)蛆量最高。而四川農(nóng)業(yè)大學白林等研究人員則發(fā)現(xiàn)，6天中，蠅蛆能快速降低糞便惡臭，糞便總重量減少約50%，而蠅蛆生長與新陳代謝對糞便的微生物好氧分解極為有利。他們提出，可直接利用這種糞便進行堆肥化處理，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥料。

就在科學家將有關(guān)蠅蛆的理論發(fā)表在學術(shù)期刊上時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者早就按捺不住想要一試身手。許多有關(guān)養(yǎng)殖蠅蛆的條件和方法從科學界口耳相傳到了生產(chǎn)一線。

2000年后，浙江省德清縣新安鎮(zhèn)村民鄭建國就從朋友那里得知了養(yǎng)殖蠅蛆的方法。他找朋友要來了一些種蠅，在相對密閉的空間中讓它們繁殖，并喂食紅糖、奶粉和水。蠅蛆孵化后再用一點麩皮。鄭建國按照生產(chǎn)經(jīng)驗了解到，一只雌蠅一次能產(chǎn)卵約100枚，在28攝氏度的溫度下，8至10個小時即可孵化出幼蟲。喂食一點豬糞，幼蟲毫無意外地茁壯成長，經(jīng)過兩次蛻皮后慢慢化蛹，最后羽化成成蟲。這的確和科學家經(jīng)過實驗得到的結(jié)論相差不大。

不過，當鄭建國改造了一個肥料廠房，計劃擴大蠅蛆的生產(chǎn)規(guī)模時，卻遭遇了一次“滑鐵盧”——冬天來臨時，浙江地區(qū)的溫度只有十幾度，蠅蛆因為低溫而全部死亡。這時，鄭建國試圖用塑料薄膜覆蓋在養(yǎng)殖池中，達到保溫的目的。但糞便中蒸發(fā)出的水分又因為薄膜的遮擋滴回養(yǎng)殖池中，“淹”死了本就脆弱的幼蟲。

長期從事養(yǎng)殖場廢棄物處理研究的張志劍關(guān)注到鄭建國的難題。張志劍回憶，他第一次到鄭建國養(yǎng)殖場時便意識到，只有想辦法做到工程化，論文中的科學發(fā)現(xiàn)才能解決現(xiàn)實問題。

于是，張志劍帶領(lǐng)團隊幫助鄭建國改用溫室大棚來養(yǎng)殖蠅蛆。“這是一個半封閉的環(huán)境，陽光進來不容易散失，濕度也更容易調(diào)控。”張志劍的建議很快見了效，從此，鄭建國成為中國第一家大規(guī)模工程蠅養(yǎng)殖戶。

在這里，特制溫室大棚取代常規(guī)磚瓦廠房，實現(xiàn)了最佳的蠅蛆養(yǎng)殖與廢棄物轉(zhuǎn)化所需的環(huán)境溫度15至30攝氏度、相對濕度45%至75%、光照及通風，并在幾乎不消耗能源的條件下確保蠅蛆工廠像蔬菜大棚一樣全季節(jié)運行。同時，他們還構(gòu)建了封閉獨立的種蠅育培區(qū)、蠅卵孵化區(qū)、廢棄物蠅蛆生物轉(zhuǎn)化區(qū)、蛆-堆體分離區(qū)、蠅蛆初加工區(qū)等功能區(qū)，確保流水線作業(yè)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各功能區(qū)的機械化，提高工程整體運行效能。

這項工程被稱為“新一代蠅蛆生物轉(zhuǎn)化技術(shù)工程”，如今已經(jīng)在中國長三角地區(qū)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。張志劍介紹，這項工程的測試表明，在氣溫25至28攝氏度、相對濕度65%至75%的初夏條件下，經(jīng)過平均5天的蠅蛆生長代謝及生物轉(zhuǎn)化后，豬糞總重量、干物質(zhì)及水分去除率平均達到67%、21%和80%，每噸豬糞將收獲新鮮蠅蛆95千克至120千克。

同時，將蠅蛆轉(zhuǎn)化后的豬糞殘渣經(jīng)過15至20天的堆肥工藝后，還可得到腐熟的蟲糞有機肥。

目前，這項技術(shù)工程在浙江德清、杭州、嘉興等地實施，年處理豬糞累計達到8.5萬噸，蠅蛆產(chǎn)量年均達到8600噸，蟲糞有機肥產(chǎn)量年均達到2.6萬噸。在生態(tài)學和環(huán)境學專家看來，將蠅蛆加入養(yǎng)殖業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)后，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都相當可觀。

清理抗生素殘留

近年來，針對微生物的研究層出不窮，這為環(huán)境科學家?guī)砹藛⑹尽Ｔ诮诘囊豁椦芯恐校芯咳藛T對比了飼養(yǎng)蠅蛆前后的豬糞后發(fā)現(xiàn)，蠅蛆腸道微生物顯著地“改造”了豬糞的微生物種群結(jié)構(gòu)，成為以變形桿菌（Proteobateria）為主的種群結(jié)構(gòu)。“這使得我們最終能夠更高效地協(xié)同降解有機物、控制惡臭氣體及防控病源微生物。”張志劍告訴記者。

當今世界，抗生素過量使用及濫用已成為全球性公共健康問題。畜禽糞便作為有機肥料施入農(nóng)田，存在著殘留抗生素、耐藥基因在環(huán)境中擴散的巨大隱患，由此造成的環(huán)境健康風險不容忽視，于是科學家們將科學問題聚焦在養(yǎng)殖場廢棄物抗生素和耐藥基因殘留上。張志劍以及中科院朱永官等科學家采用基因檢測的方法，選取了中國養(yǎng)殖業(yè)常見的9種畜牧飼料添加抗生素，對采集的豬糞進行了分析。

研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6天蠅蛆轉(zhuǎn)化后，豬糞中四環(huán)素、土霉素、金霉素、磺胺嘧啶以及環(huán)丙沙星等5種抗生素的含量比豬糞原樣顯著下降三成至七成。而強力霉素、諾氟沙星、氧氟沙星等3種抗生素殘留也呈下降趨勢。同時，利用高通量耐藥基因芯片技術(shù)，他們在豬糞便中檢測到了158個耐藥基因，經(jīng)過蠅蛆生物轉(zhuǎn)化，其中約94個耐藥基因的豐度減少了85%。

這兩組數(shù)據(jù)足以讓科學家們得出結(jié)論：“蠅蛆對防控耐藥基因進入環(huán)境系統(tǒng)的效能十分顯著。”

進一步的生物信息學分析表明，正是蠅蛆腸道的“微環(huán)境”發(fā)揮了作用——顯著降低了豬糞中大量潛在的耐藥病原菌。張志劍在其中一篇論文中寫道：“蠅蛆的這一特殊功能對于防控環(huán)境殘留抗生素污染及其耐藥基因擴散具有重要意義，為解決全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗生素殘留污染及其耐藥基因擴散難題帶來新的契機。”

據(jù)了解，這項研究成果已經(jīng)開始在位于浙江的幾家生豬養(yǎng)殖企業(yè)嘗試工程化應(yīng)用。

“以廢治廢”是環(huán)境科學家的追求之一。他們期待，蠅蛆在廢棄物生物轉(zhuǎn)化與降解的同時，獲得數(shù)量可觀的蠅蛆蛋白與有機肥，這將是一個“雙贏”的方案。