黑水虻幼蟲生長發育速度的影響因素

蔡影峰,邢斯程,廖新俤

(華南農業大學 動物科學學院，廣東 廣州 510642)

黑水虻(Black soldier fly,BSF)，學名光亮扁角水虻，亮斑扁角水虻，它起源于美洲，目前在熱帶亞熱帶地區和大多數的暖溫地區均有分布[1]。當前，黑水虻在畜禽糞便處理、動物飼料、醫藥以及生物石油等領域都獲得了較大的研究進展，尤其是針對畜禽養殖業，通過黑水虻的資源化利用可以有效降低養殖污染物的排放，減輕環境污染[2]。它為廢物的生物循環利用提供了一種具有潛在經濟效益的選擇[3]。影響黑水虻生長發育的主要因素有兩類：環境與生物因素；本研究主要綜述了兩大因素對黑水虻幼蟲生長發育的影響，并總結出一種理想的規模化養殖黑水虻幼蟲的方式。

1 黑水虻幼蟲的生物學特性

黑水虻一般經歷4個生長周期，分別是卵期、幼蟲期、蛹期和成蟲期，整個周期35 d左右(圖1)[4]。成蟲產卵后，蟲卵在適宜條件下約4 d孵育為初孵幼蟲，大小1.4 mm左右，為乳白色蟲體。黑水虻幼蟲期可達15 d，幼蟲期共分為六個齡期[5]，低齡幼蟲呈乳白色，體色隨天齡而逐漸加深，最終變為深褐色。在適宜條件下，1～3日齡幼蟲需經歷3 d，3日齡幼蟲之前，幼蟲個體很小，采食量小。

3日齡幼蟲后，采食量增加，生長發育加速，個體快速增大，6日齡后可進入預蛹期(末齡幼蟲)，此時變為深褐色，體長可達20 mm左右。在較差的生長環境中，幼蟲到達預蛹期可能需要10～20 d，預蛹期不再進食，主動離開食物。成年黑水虻會汲取果汁等以維持營養[6]。蛹期大約持續15 d左右，呈暗棕色，蛹殼堅硬，不能活動。成蟲期約10 d，體長15～20 mm，體色為黑色，帶有藍色金屬光澤。成蟲口器退化，棲息于綠色植物葉片之間，不再進食。雄成蟲與雌成蟲的交配需要陽光來誘導，交配時間約20～30 min，交配后2～3 d產卵[7]。

2 黑水虻幼蟲的應用

2.1 黑水虻幼蟲處理畜禽糞便

黑水虻最主要的用途之一為將畜禽糞便作為生長營養物質，能夠將糞便轉化為可供農業種植利用的生物質。Newton等[8]在2005年發現利用黑水虻處理豬糞具有可行性，處理后豬糞質量降低了56%，大部分元素和營養物質的濃度降低了40%～55%。利用黑水虻幼蟲處理奶牛糞便，21 d內可將1248.6 g牛糞消化成273.4 g干渣[9]。黑水虻處理畜禽糞便除了可生成有用的生物質，還能一定程度上降低畜禽糞便中存在生物風險的物質，例如致病菌、抗生素和耐藥基因。研究表明，黑水虻幼蟲通過取食過程，可以降低糞便惡臭的排放，并且可以大幅降低糞便中的大腸桿菌和沙門氏菌數量[10]；同時黑水虻幼蟲可以在12 d內快速降解約97%的四環素[11]；相比傳統堆肥，用黑水虻幼蟲處理糞肥12 d內可有效減少95%的耐藥基因，同時使攜帶耐藥基因的厚壁菌門減少65.5%，有效降低攜帶耐藥基因的風險[12]。綜上所述，黑水虻處理畜禽糞便的優點值得開發拓展，然而黑水虻的日齡卻是影響其有效處理糞便的重要因素之一。馬加康等[13]研究黑水虻幼蟲對新鮮鴨糞的處理能力及糞便的轉化效果時，發現4日齡幼蟲處于較小的階段，對營養需求量大，體重增加迅速，并且在10日齡時幼蟲日增重達到最大值，幼蟲發育基本完全，對飼料的利用率以及轉化率達到了最大化。10～15日齡幼蟲采食量減少，日增重減緩。據農業農村部公布的數據顯示，目前全國畜禽糞污年產生量約38×108t，其中畜禽直接排泄的糞便約18×108t，養殖過程產生的污水量約20×108t[16]。因此，可以充分利用黑水虻幼蟲4～10日齡這段快速生長發育時間，高效地針對畜禽糞便實現變廢為寶。

圖1 黑水虻各階段形態圖卵期(A)、幼蟲期(B)、蛹期(C)、成蟲期(D)[4,14-15]Fig.1 Black soldier fly at different stagesEgg stage(A), Larva stage (B), Pupa stage (C),Adult stage (D)[4,14-15]

2.2 黑水虻幼蟲作為飼料蛋白原料的營養價值

黑水虻具有生物量大，吸收轉化率高，蟲體營養成分高等特點，其幼蟲蛋白質、粗脂肪、礦物質含量都很高[17]。黑水虻幼體蛋白質含量為47.3%，脂肪32.6%，灰分7%，氨基酸態氮280 mg/100 g，膽固醇172.7 mg/100 g，維生素B1 0.235 mg/100 g，并且證明了采食生活廢物的黑水虻幼蟲可以作為畜禽飼料使用[18]。2013年，聯合國糧食及農業組織(FAO)頒布《可食用昆蟲報告》中，將黑水虻作為最主要的蛋白飼料替代昆蟲。目前，黑水虻幼蟲應用于動物飼料，可以通過蟲糜、蟲干、蟲粉、蟲油等方式[1]。研究發現，幼蟲在14～16 d的發育過程中，單個黑水虻幼蟲的干物質含量約增加了4000倍，粗蛋白和粗脂肪絕對含量在預蛹期迅速增加，達到最高水平[19]。因此，預蛹期黑水虻更適合作為畜禽飼料，準確收集預蛹期黑水虻，可以更有效地發揮幼蟲作為飼料的營養價值。

3 影響黑水虻幼蟲生長發育的因素

3.1 環境因素

3.1.1 光照強度對黑水虻幼蟲生長發育的影響 趙竟伽等[20]發現，在自然光照，黑暗條件，以及4種不同人工光照強度的碘鎢燈下(500 Lux、1 000 Lux、1 500 Lux、2 000 Lux)，在人工光照強度為1 000 Lux時黑水虻6齡幼蟲的體重和體長達到峰值，在人工光照強度2 000 Lux下幼蟲生長發育受阻，其體長和體重較自然光照和黑暗條件下都小。同時，在分別用自然光照和碘鎢燈人工光照作用于成蟲交配并且發生產卵時，發現兩種光源下黑水虻生活史比較一致，用碘鎢燈人工光照對黑水虻的卵期、幼蟲期、蛹期都不會產生不良影響[21]。以上報道表明,適當的人工光照可有效提高黑水虻幼蟲的產量。

3.1.2 含水率對黑水虻幼蟲生長發育的影響 不同含水率的飼料對黑水虻幼蟲的生長發育具有顯著影響。合理選擇和調節人工飼料或者畜禽糞便的含水率，不僅有利于黑水虻幼蟲的生長，獲得蟲體豐產，還可以更有效地處理畜禽糞便。研究報道一致認為，飼料含水率75%最適合培養黑水虻幼蟲(表1)。

表1 不同含水率對黑水虻幼蟲生長發育的影響Table 1 Effects of different moisture content on the growth and development of Black soldier fly larvae

3.1.3 基質對黑水虻幼蟲生長發育的影響 黑水虻幼蟲作為資源昆蟲，可用于畜禽糞便、餐廚垃圾、腐爛水果以及糧食下腳料的無害化處理。研究發現，采用10%菌糠+90%貂肉飼喂黑水虻幼蟲時，達到老熟幼蟲歷期僅需17 d[22]；利用雞糞配合麩皮飼養幼蟲，雞糞添加比例20%時，黑水虻幼蟲平均日增重最高[23]；用小麥下腳料養殖黑水虻幼蟲，所生產的幼蟲蛋白成分高達45%[24]。由此看出，黑水虻可以在高蛋白、高脂肪的貂肉中生長，也可以在營養物質相對缺乏的畜禽糞便中生長，說明黑水虻幼蟲具有較強的生存能力和抗逆性。Lalander等[25]在2018年發現，盡管黑水虻幼蟲在其飼料基質的選擇上是多種多樣的，只要其總揮發性固體和氮含量足夠高，就可以支持黑水虻幼蟲的生長發育。但是，不同的基質成分對黑水虻幼蟲的營養成分產生顯著的影響，表2歸納了關于采用不同基質所收獲的黑水虻幼蟲粉的營養成分。因此，在選擇培養黑水虻幼蟲的基質時，應該合理選擇并調節基質中有機物如蛋白質、脂肪、碳水化合物、灰分等含量，但在目前的研究中，并沒有確定基質中蛋白質、脂肪、碳水化合物、灰分等營養物質的合理比例，大部分研究只能確定不同種類基質對幼蟲的影響，而沒有研究基質中具體營養素之間對幼蟲的協同影響。

表2 基于不同飼喂基質的黑水虻幼蟲粉常規營養指標(干重)Table 2 Conventional nutritional indexes of Black soldier fly larvae powder based on different feeding substrates(dry weight)%

3.1.4 溫度對黑水虻幼蟲生長發育的影響 飼養溫度對黑水虻幼蟲的生長發育有顯著的影響。溫度越高，黑水虻的幼蟲期越短，其鮮蟲的平均體重也最大。研究表明，溫度為30 ℃時，50%幼蟲進入預蛹期僅需11 d；而在15 ℃時，幼蟲期要延長到21 d[29]。在處理豬場糞污時，溫度28～30 ℃，廢棄物處理效果最明顯，幼蟲的增重與增長也最明顯[31]。

3.1.5 密度對黑水虻生長發育的影響 黑水虻處理廢棄物時，蟲卵與基質之間存在著一個合適比例問題。徐春笑等[32]研究發現，黑水虻處理餐廚廢棄物，每噸餐廚垃圾添加100 g蟲卵時，可以產生最大的鮮蟲產量和最小的餐廚垃圾總重。在獲取黑水虻幼蟲的最大生物量時，1.2～5條幼蟲/cm2的密度下規模化養殖黑水虻是可行的[33]。幼蟲密度比例過低，則因黑水虻不能充分消納廢棄物，造成營養浪費；密度過高，有機物不足以滿足幼蟲的生長需要，導致幼蟲生長發育受阻。

3.2 生物因素

3.2.1 基因與激素對黑水虻生長發育的影響 黑水虻幼蟲只能在幼蟲期處理廢棄物，如果能穩定地延長黑水虻的幼蟲期，就能增加其對有機廢物的利用量。昆蟲的變態發育由一系列激素和神經肽控制[34]，據研究報道，通過CRISPR/cas9基因編輯方法敲除促胸變激素(PTTH)基因，導致黑水虻蛻皮激素的合成和釋放受阻，延緩黑水虻幼蟲蛻皮和變態，從而延長黑水虻幼蟲成蛹的過程，使最后一個幼蟲齡期從對照組的4～5 d增加到突變體的>85天；研究還發現PTTH突變體的體型和體重均大于野生型，但有學者認為PTTH基因并不能調節果蠅的生長速率[35]，這說明PTTH突變體體型與體重的增大可能是由于進食時間的延長而間接導致的，而不是該基因直接控制[15]。

3.2.2 酶對黑水虻生長發育的影響 參與黑水虻脂肪積累的調節酶主要是PDC、CY、ACLY、FASN、ACC、ACOT1_2_4、ACSBG、GPAT3_4、AGPAT3_4、PLPP1_2_3、DGAT1，并且表明黑水虻幼蟲具有常規的脂肪代謝模式，脂肪代謝主要在黑水虻幼蟲發育的前期和蛹期，其中脂肪積累在幼蟲早期階段扮演著重要的角色，脂肪含量在預蛹期達到最高值[36]。五齡幼蟲和預蛹之間的mRNA表達模式存在差異，特別是FAS(脂肪酸合成酶)和ACC(乙酰輔酶a羧化酶)在五齡幼蟲體內的超量表達可能參與了脂肪酸合成的限速步驟，從而參與了營養積累和能量儲備，以供昆蟲變態和進一步發育時使用，這一過程對完全變態昆蟲尤其重要，因為它們依賴這些儲備來支持生長、生活和繁殖[37]。

4 展 望

綜上所述，調控黑水虻生長發育是環境與生物因素的結合。總的來說，生物因素的影響在試驗研究層面，例如黑水虻品種的選育等有很大空間，而環境因素如光照、溫度、含水率、密度以及基質條件的影響，體現在生產上，較為直觀、容易控制，目前的研究成果已經比較充分了解了光照、溫度、含水率、密度等對黑水虻幼蟲生長發育的影響，飼養管理條件也比較明確。但是，對于飼喂基質的研究，大部分僅限于基質種類對幼蟲的影響，而缺乏基質中各大營養素之間合理比例以及深層次機理的研究，畜禽糞便中殘留的抗生素等對幼蟲的影響研究也不充分，今后這方面的研究對相關理論以及黑水虻在養殖廢棄物變廢為寶中的實踐都具有重要意義。