蠅蛆：抗生素殘留的清道夫

科學家早已發現蠅蛆能夠降解環境廢棄物，是優質蛋白質的來源。最近浙江大學張志劍副教授領導的團隊進一步發現，蠅蛆腸道微生物還能夠降解動物糞便中的抗生素及耐藥基因。這一發現為解決中國飼養業中突出的環境問題提供了新思路。

南方周末特約撰稿 張淼

這是一項有味道的科學進展。

“夏須甕盛泥封，勿令蠅蛆。”北魏時期，賈思勰在介紹農業技術的《齊民要術》中提到，夏天要用泥土封口的容器存放農作物，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，生態與環境科學家發現了蠅蛆不僅能降解環境廢棄物，還是優質蛋白質的來源，便開始利用它來處理動物養殖的糞便。

最近，浙江大學環境與資源學院副教授張志劍帶領團隊進一步發現，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。業內人士指出，蠅蛆的這一新功能將會對解決中國飼養業的突出環境問題提供新思路。

嗜腐性的“分解者”

2011年前后，浙江德清縣新安鎮的生豬養殖場規模越做越大，豬糞的處理成為當地農民最大的困擾。當時，3萬多頭生豬每天要產生糞便30多噸，已經成為當地最大的污染源。最終，在張志劍的幫助下，村民鄭建國通過養殖以糞便為食的蠅蛆，解決了豬糞處理的問題。

這是張志劍團隊研發的“新一代蠅蛆生物轉化技術工程”的一次實踐。

此次項目的成功，離不開人們對蠅蛆習性的科學認識。從生態學上講，家蠅及其幼蟲均屬“雙翅目（Musca domestica）”，在地球生態系統中扮演著“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境微生物協同作用的新型生物反應器。

事實上，一開始，研究蠅蛆的科學家們并不具備生態學的觀點，只是單純地追求蠅蛆身上優質的蛋白質。長久以來，生產蛋白質一直是科學家們對蠅蛆關注的重點。特別在蛋白質飼料全球短缺的今天，聯合國糧農組織（FAO）也倡議，開展可食用昆蟲為主的“微家畜農場”研發與應用，實現“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環境時首次提出，蠅蛆能夠作為飼料為畜禽提供蛋白，同時養雞場的條件也非常有利于蠅蛆從卵長成蛹，二者可以相互利用。討論結果發表在當年出版的《飼料》(Feedstuffs)雜志上。

也有專家指出，米勒的假設在商業上難以實現規?；ｋS后，米勒在研究中發現，蠅蛆在養雞場中的作用遠不止提供優質蛋白，它更是一種處理雞糞的絕佳“反應器”。

1974年，米勒在《英國家禽學報》（British Poultry Science）上發表了這一新發現。他指出，27攝氏度和濕度為60%到75%的新鮮家禽糞便，是蠅蛆最佳的發育環境。在為期5到7天處理周期內，蠅蛆降解糞便有機質高達80%，同時每處理一噸糞便，能獲得新鮮蠅蛆65到90千克。這些蠅蛆的粗蛋白含量達到60%以上。

這是世界上首次采用現代工程技術的手段，馴養家蠅并利用其幼蟲蠅蛆來處理養雞場糞便。

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境科學家也紛紛仿效這一成功做法，以應對規?；B殖場畜禽糞便污染和飼料蛋白不足的雙重問題。

科學家發現，蠅蛆對畜禽糞便的生物轉化首先要通過對糞便進行破碎、翻轉、通氣等物理過程，使廢棄物充分而有效地“暴露”在蠅蛆和環境微生物中。生物學的發展則讓科學家們逐漸認識到蠅蛆生物轉化的生化作用。

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養豬場和動物技術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據進行了詳細記錄，發現用1公斤濕的豬糞能產生43克至74克不等的蠅蛆，而經過生物降解后的重量只剩下0.18至0.65公斤殘渣。這項成果發表在《公共科學圖書館·綜合》上。

根據海倫娜的研究，蠅蛆能讓豬糞降解40%至80%。定量的數據比定性的描述讓環境科學家們感到更加興奮。

張志劍告訴南方周末，蠅蛆的作用主要是“酶降解”。“蟲體內臟，特別是消化系統分泌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶、纖維素酶、幾丁質酶等，將廢棄物中蛋白質、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?！?/p>

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，而約三分之一的有機物通過生長發育轉化成蠅蛆體本身。

工程化應用

作為世界養殖大國，中國科學家在開展蠅蛆處理養殖廢棄物的技術研究上貢獻良多。例如，江蘇農科院趙偉等研究人員指出，蠅蛆處理技術可顯著減少雞糞的排放量，而用雞糞替代90%蠅蛆培養基（如麩皮），產蛆量最高。而四川農業大學白林等研究人員則發現，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，生產優質有機肥料。

就在科學家將有關蠅蛆的理論發表在學術期刊上時，農業生產者早就按捺不住想要一試身手。許多有關養殖蠅蛆的條件和方法從科學界口耳相傳到了生產一線。

2000年后，浙江省德清縣新安鎮村民鄭建國就從朋友那里得知了養殖蠅蛆的方法。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。

鄭建國按照生產經驗了解到，一只雌蠅一次能產卵約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。這的確和科學家經過實驗得到的結論相差不大。

不過，當鄭建國改造了一個肥料廠房，計劃擴大蠅蛆的生產規模時，卻遭遇了一次“滑鐵盧”——冬天來臨時，浙江地區的溫度只有十幾度，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殖池中，達到保溫的目的。但糞便中蒸發出的水分又因為薄膜的遮擋滴回養殖池中，“淹”死了本就脆弱的幼蟲。

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

于是，張志劍帶領團隊幫助鄭建國改用溫室大棚來養殖蠅蛆?！斑@是一個半封閉的環境，陽光進來不容易散失，濕度也更容易調控。”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模工程蠅養殖戶。

在這里，特制溫室大棚取代常規磚瓦廠房，實現了最佳的蠅蛆養殖與廢棄物轉化所需的環境溫度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運行。同時，他們還用“模塊化構建蠅蛆技術”取代作坊式生產，按家蠅生活史，構建封閉獨立的種蠅育培區、蠅卵孵化區、廢棄物蠅蛆生物轉化區、蛆-堆體分離區、蠅蛆初加工區等功能區，確保流水線作業的基礎上實現各功能區的機械化，提高工程整體運行效能。

這項工程被稱為“新一代蠅蛆生物轉化技術工程”，如今已經在中國長三角地區實現規?；a。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，經過平均5天的蠅蛆生長代謝及生物轉化后，豬糞總重量、干物質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至120千克。

同時，將蠅蛆轉化后的豬糞殘渣經過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，蠅蛆產量年均達到8600噸，蟲糞有機肥產量年均達到2.6萬噸。在生態學和環境學專家看來，將蠅蛆加入養殖業的生態系統循環后，經濟效益和環境效益都相當可觀。

清理抗生素殘留

近年來，針對微生物的研究層出不窮，這為環境科學家帶來了啟示。

2014年，作為中科院“土壤-微生物系統功能及其調控”先導專項的首席科學家，中科院城市環境研究所研究員朱永官帶領團隊，開始對中國主要類型土壤微生物組成、格局及演替規律進行系統研究。

與此同時，張志劍也開始以微生物的視角研究蠅蛆降解廢棄物的轉化原理。在近期的一項研究中，研究人員對比了飼養蠅蛆前后的豬糞后發現，蠅蛆腸道微生物顯著地“改造”了豬糞的微生物種群結構，成為以變形桿菌（Proteobateria）為主的種群結構。

張志劍告訴南方周末：“這使得我們最終能夠更高效地協同降解有機物、控制惡臭氣體及防控病源微生物。”

2012年底，上述兩位環境科學家因為對微生物的共同興趣，開始了合作實驗。他們將科學問題聚焦在養殖場廢棄物抗生素和耐藥基因殘留上。

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田，存在著殘留抗生素、耐藥基因在環境中擴散的巨大隱患，由此造成的環境健康風險不容忽視。

張志劍、朱永官帶領團隊，聯合美國阿貢國家實驗室環境微生物學的杰克·吉爾伯特（Jack Gilbert）小組采用基因檢測的方法，選取了中國養殖業常見的9種畜牧飼料添加抗生素，對采集的豬糞進行了分析。

研究人員發現，經過6天蠅蛆轉化后，豬糞中四環素、土霉素、金霉素、磺胺嘧啶以及環丙沙星等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，他們在豬糞便中檢測到了158個耐藥基因，經過蠅蛆生物轉化，其中約94個耐藥基因的豐度減少了85%。

這兩組數據足以讓科學家們得出結論：“蠅蛆對防控耐藥基因進入環境系統的效能十分顯著?！?/p>

進一步的生物信息學分析表明，正是蠅蛆腸道的“微環境”發揮了作用——顯著降低了豬糞中大量潛在的耐藥病原菌。他們還從進化學角度闡釋，蠅蛆腸道微生物有極高的“進化選擇壓力”，這使得大部分殘留抗生素因為“不適應”腸道環境而得到削減。

《國際微生物生態學會會刊》（《The ISME Journal》）自2015年以來陸續刊發了中國研究者圍繞蠅蛆的幾項研究。

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，為解決全國畜禽養殖業抗生素殘留污染及其耐藥基因擴散難題帶來新的契機。”

據了解，這項研究成果已經開始在位于浙江的幾家生豬養殖企業嘗試工程化應用。

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