黑水虻資源化利用農業有機廢棄物研究進展

郝建偉，丁 宇，郭湘嶸，胡文鋒，羅愛國，劉 爽

（1.晉中學院 生物科學與技術系，山西 晉中 030600；2.定襄縣畜牧業發展中心，山西 定襄 035400；3.山西紅崖綠谷環保產業集團有限公司，山西 長治 046000；4.華南農業大學 食品學院，廣東 廣州 510000；5.山西大學 黃土高原研究所，山西 太原 030006）

有機廢棄物的持續增加不僅對人類健康產生影響，同時也威脅著全球生物多樣性和生態系統。由廢棄物污染引發的環境問題層出不窮，包括水污染、空氣污染以及土壤污染[1]，而病原體也會伴隨廢棄物污染威脅人類健康[2]。另一方面，在我國，隨著生活水平不斷提高，人均消費奶、肉等蛋白與日俱增，導致畜禽飼養數量龐大，飼料蛋白需求逐年增加。而我國是蛋白質資源短缺國家，目前主要蛋白質原料仍然依靠進口，如生產豆粕的大豆約70%需要進口，魚粉約70%需要進口。以大豆為例，自1996年開始進口大豆以來，我國大豆進口量一直上升，從起初年進口百萬噸到2021年的9 652萬t[3]。昆蟲以既可處理廢棄物，又可生產蛋白、脂肪以及微量元素的優勢逐步受到關注，在一些糧食危機地區，昆蟲甚至取代畜禽肉類成為人類重要的蛋白營養來源[4]。

資源型昆蟲工業化生產存在的最大難題在于規?；曫B，盡管動物可食用昆蟲種類繁多，但大多數難以飼養及收獲，通常只能野外抓捕，因此，供應不穩不能滿足生產計劃穩定性要求，而為數不多的可飼養性昆蟲又因廢棄物采食譜較窄而使用推廣受限。黑水虻（Black soldier fly，BSF）以其食性廣、轉化率高、環保及廉價等優勢，成為近年來研究的熱點[5]。BSF屬水虻科，原產于美洲熱帶、亞熱帶和溫帶地區[6]。BSF幼蟲（BSFL）可分解采食多種有機廢棄物，包括人及畜禽養殖糞便[7]、農作物廢棄物[8-10]。KAYYIS等[11]研 究 表 明，BSFL具 有 顯 著的生物廢物回收能力，其中4 kg廢物將產生800 g幼蟲。BSFL含有豐富的脂肪[3-5,12]和蛋白質[13-14]，常應用于動物飼養或人類食物[4,15]。隨著BSFL功能開發研究的不斷豐富，已有試驗利用黑水虻制備生物柴油、分離生物聚合物。上述研究表明，BSFL具備廣泛的應用潛力[16]。

筆者針對近年來BSFL消減轉化不同廢棄物效力、BSFL消減廢棄物有害因子、BSFL作為飼料添加對畜禽動物生長影響、廢棄物消減殘渣對土壤和農作物影響等方面的研究進行綜述，以期為BSF處理農業廢棄物提供理論參考。

1 不同農業有機廢棄物對BSFL轉化效力影響

畜禽養殖糞便是農業有機廢棄物的重要組成，飼養動物因種類、消化特性、養殖環境等導致糞便產出理化性質差異較大。以往規模化畜禽養殖糞污主要以固液分離后固體堆肥或發酵進行處理。近年來，隨著生物轉化糞污研究的發展，BSF已被證實可用于轉化消減多種畜禽糞污。

用于BSFL消減的目標廢棄物理想水分含量在70%～80%，最低閾值為40%～55%[17-19]，理想溫度為27～30℃[20]。廢棄物消減比例和生物轉化率常被用來判斷轉化效力[21-22]。消減比例是一個干質量值，根據提供的有機廢棄物（飼養物）和殘留之間的差異進行計算；而生物轉化率是指干質量除以幼蟲增質量和總飼養物[22]，生物轉化率取決于很多因素，包括飼養物組成、飼料率、幼蟲的密度和采食方式[7]。其中，飼養物可消化碳和高蛋白質含量是影響生物產量的重要因素[21-22],其次，其他營養成分如非纖維碳水化合物（NFC）、纖維（纖維素、木質素和半纖維素）、脂質、NFC比值也影響廢物處理性能和幼蟲產量。表1列舉了BSFL消減不同畜禽所產糞便或糞便混合物的消減比例及轉化率，值得注意的是牛糞因營養物殘留較低，常需配比其他廢棄物，進一步提高脂質含量、降低纖維素比例來提升消減比例及轉化率。同時表1顯示，蔬菜殘余加入糞便后也有助于提高BSFL對有機廢棄物的消減，表明BSFL也可用于植物類有機廢棄物處理。

表1 黑水虻幼蟲處理不同農業有機廢棄物消減比例及生物轉化率Tab.1 Reduction and biological transformation rates of different agricultural organic wastes treated by black soldier fly

續表1黑水虻幼蟲處理不同農業有機廢棄物消減比例及生物轉化率Tab.1（Continued）Reduction and biological transformation rates of different agricultural organic wastes treated by black soldier fly

SCALA等[25]利用蘋果、香蕉單獨作為飼料或按比例混合后飼養BSFL，結果發現，消減比例達59%～64%，蟲體總增質量達882～1 052 g。在此基礎上，有研究顯示，水果混合蔬菜可以進一步提高蟲體蛋白含量，相較于水果培養蟲體蛋白含量（229.7 g/kg），混合培養蛋白質含量可達312.9 g/kg[26]。GAO等[27]用1∶4 000米曲霉對玉米秸稈進行24 h發酵，發酵產物用于飼喂BSFL，結果表明，其消減比例可達48.41%，BSFL蟲干粗蛋白可達41.76%，相比未轉化發酵物，消化的秸稈殘渣更具農業應用潛力。

植物壓榨后產生的籽渣類廢棄物也可用于飼養BSFL，有研究使用棉籽餅飼養BSFL，結果顯示，雖然幼蟲總質量不及雞飼料飼喂幼蟲，但粗蛋白占干質量比例可達47.43%，高于雞飼料的38.6%[28]。LI等[29]將豆渣和廚余垃圾按不同比例進行組合飼喂BSFL，不同飼喂組消減比例為32.71%～58.36%，轉化率為13.04%～18.54%，豆渣和廚余垃圾最佳比例為3∶7。

BSFL也可用于發酵糟類處理，其消減啤酒糟比例可達68.5%，結果表明，啤酒糟按比例混合其他廢棄物可有效提高廢棄物利用比例[25]。山西省高等學校固態釀造工程技術研究中心研究BSFL處理醋糟以及醋糟復合廢棄物的消減及轉化，發現添加醋糟有助于BSFL標準飼料（Gainesville diet）及畜禽糞便轉化利用，試驗表明，20%醋糟添加BSFL產量最大（表2）。

表2 黑水虻幼蟲轉化醋糟或醋糟復合混合物增質量對比結果Tab.2 Comparison of weight gain of black soldier fly larvae in transformation of vinegar dregs or vinegar dregs composite mixture

2 BSFL對廢棄物中有害物質降解研究進展

農業廢棄物常自帶或易污染各類病原體，畜禽糞便處理的難點之一就是處置不當繼而污染環境與地下水，引起疾病傳播。畜禽大腸桿菌、沙門氏菌等疫病感染常為糞口傳播，表明實際生產中糞便污染病原體概率較大。有趣的是，BSFL在降解廢棄物所含病原體方面具有較好的效力，研究顯示，BSFL轉化末端殘渣致病微生物含量呈顯著降低，可達到肥料或土壤改良劑的要求[30]。糞便處理試驗表明，在27～32℃條件下，大腸桿菌和沙門氏菌污染的雞糞經BSFL處理8 d后，病原含量顯著降低[31]。LALANDER等[19]也研究報道了類似的結果，豬糞及餐余垃圾經BSFL處理14 d后，沙門氏菌數量呈顯著降低，處理35 d后甚至低于檢測限。近期的一項研究證實，雞糞和牛糞經BSFL處理后，糞便所含變形菌門細菌含量可減少90%～93%，而在豬糞和污水污泥中，變形菌門也降低了86%～88%[30]。綜合當前文獻顯示，糞污種類、溫度、糞便量以及pH是影響BSF清除病原體能力的主要因素。LIU等[32]研究發現，牛糞溫度在27℃時，顯著影響BSFL對大腸桿菌的清除能力。

家蠅作為農業有機廢棄物的主要害蟲，與BSF之間存在種間競爭，BSFL采食活動可以影響家蠅的發育，因此，BSFL定殖的糞便中少見家蠅[23,33]。有研究顯示，在家禽糞便定殖試驗中，BSFL定殖能力強于普通家蠅和廁蠅[34]。BSFL定殖后產生的異源激素也會抑制家蠅產卵。上述2個方面常聯合發揮抑制作用，表明BSF是家蠅的天然競爭者，可用來降低家蠅繁殖，繼而減少疫病傳播。

有機廢棄物利用另一難點為重金屬處理，已有不同學者就重金屬元素在BSFL飼養過程中轉化、積累及對BSFL生長影響進行研究。WU等[35]研究了不同質量濃度Cu（100、200、400、800 mg/kg）、Cd（10、20、40、80 mg/kg）飼喂BSFL后重金屬元素轉化，結果顯示，與空白對照相比，飼喂組幼蟲體內Cu含量呈顯著增長，增長7.6～25.5倍，Cd含量增長3.6～15.3倍，利用生物積累因子BAF（bioaccumulation factor，BAF=蟲體內重金屬濃度/飼料中重金屬濃度）判斷重金屬積累，則Cu離子BAF值 為0.69～1.65，Cd離 子BAF值 為0.10～0.32。值得注意的是，當Cu離子濃度大于400 mg/kg時BAF值小于1，這與昆蟲重金屬暴露自我保護機制有關，而Cd研究顯示，蟲體濃度高于蟲糞濃度，表明Cd更易在BSFL積累。高劑量Cd暴露會影響BSFL預蛹，延長其預蛹期。該研究同時表明，蟲糞中重金屬殘留主要以殘渣態為主，其中Cu比例為54.2%～71.7%，Cd低劑量（10、20 mg/kg）條件下蟲糞中Cd呈水溶態，高劑量（40～80 mg/kg）呈殘渣態，比例為39.8%～67.6%[35]。近期有研究探討用不同加工方式處理多種食品分組飼喂BSFL，其后測定各類重金屬的BAFs，結果顯示，Zn（1.1～1.9）、Mn（2.7～5.0）、Cd（4.6～12.2）呈高水平生物積累效應，Al（0.2～0.8）、Co（0.3～0.5）無生物積累效應，Fe、Sn、Cr、As則呈現低水平生物積累效應（僅在特定食物或特定加工方式中顯示積累活性）[36]。綜合當前文獻，不同團隊均認為BSFL可對Cd進行富集，其機制為BSFL腸道具大量鈣離子通道，這一生理有助于Cd的吸收[37]。但需要注意的是，重金屬元素BAF數值會伴隨BSF生長發育變化而變化，例如，BSFL生長至成蟲階段，則蟲體Pb和Cd濃度下降，BAF降至0.12～0.21[38]，其具體機制仍未明確，可以肯定的是BSF存在某種機制將體內特定重金屬元素代謝至外骨骼，其后通過蛻皮進行外排，這方面的研究需結合細菌對重金屬吸附研究以及蟲體腸道菌群差異2個方面進行，該方面機制的闡明有助于提高BSF對重金屬的富集與吸收[39]。

利用BSFL處理有機垃圾可以有效降低溫室氣體排放，有研究比較了堆肥處理和BSF處理有機廢物有害氣體排放差異，結果顯示，相比于對照組（111 kg/t），BSF處理（35 kg/t）可有效降低CO2排放，同時可減少其他有害氣體擴散[40]。ERMOLAEV等[18]的研究結果與此相似，結果顯示，與對照組相比，BSFL處理組溫室氣體（CH4、N2O）排放降低，處理過程中未檢測到NH3。因此，以BSFL處理有機廢棄物可為節排減碳提供新的思路。

3 BSFL可作為原料或添加劑應用于飼料組方

作為資源性昆蟲BSF的核心優勢是其幼蟲及預蛹具有極高的營養價值，盡管BSFL營養組分因飼料和時間差異而有所不同，但BSFL較高的粗蛋白和粗脂肪使得其非常適合作為動物飼料添加劑[41]。BSFL既可以鮮蟲或蟲干用于動物飼料，又可以進行加工提取蟲蛋白或蟲油用于動物飼料添加劑。BSFL蛋白含動物飼料所必需的10種氨基酸[15]。有研究證實，BSFL或預蛹提取的蛋白品質與用于飼料添加的大豆或肉粉相同[42]。對比BSFL、魚粉、豆粕、大豆濃縮粉以及乳清蛋白氨基酸組成，發現BSFL蛋白必需氨基酸含量高于上述動物用蛋白，整體氨基酸含量高于豆粕及大豆濃縮粉，符合聯合國糧農組織（FAO）2013年發布的推薦標準[43]。

BSFL可代替玉米或豆粕用于養禽飼料添加，在一項肉用鵪鶉飼養試驗中，將BSFL按2種比例加入飼料，對比不同分組飼養效果后發現，與對照組相比，BSFL試驗組在生產效率、胸肌質量及胴體凈質量上無差異[44]。NEUMANN等[45]將仔豬飼料及育肥豬飼料中豆粕完全替換為BSFL或螺旋藻粉，2種飼料飼喂豬只生產參數與豆粕組并無差異，同時BSFL組氮消化率明顯優于其他2組。有研究將育肥豬飼料豆粕組分替換為BSFL（不同分組替換比例為50%、75%、100%），育肥豬出欄未見感官差異，而且肉質更為鮮嫩，其背膘多不飽和脂肪酸含量較常規飼喂更高[45-46]。BSFL富含的油脂比植物油更適合魚類養殖，利用BSFL飼喂虹鱒魚，BSFL飼喂組與魚粉組感官并無差異[47]。有學者研究利用去脂BSFL飼喂虹鱒，發現去脂BSFL添加比例可達40%，這一組方對虹鱒生理及魚片物理性狀無影響，但營養組成上其多不飽和脂肪酸含量有所降低[48]。通常反芻動物飼養主要依賴牧草、秸稈等作物副產物，但在母畜產仔等特殊時期，飼料中需添加代乳料用于提高仔畜出生率，幫助母畜盡快恢復。BSFL富含必需氨基酸及月桂酸,可作為功能組分用于反芻動物飼料添加[49]。一項研究比較了羊奶、商業代乳品以及含BSFL組分代乳品對早期斷奶仔山羊的影響，其中BSFL代乳品中含30%BSFL蟲粉，上述各組代乳品飼喂方案相同：每日飼喂6～8次，仔山羊飼喂至5周齡，其后用代乳品混合幼畜補料飼喂至8周，結果顯示，BSFL飼喂組干物質、蛋白吸收結果與羊奶組一致，同時BSFL組脂肪吸收率高于山羊奶組。仔羊斷奶質量分別為BSFL組12.5 kg；商品代乳品組11.1 kg；山羊奶組14.0 kg[50]。BSFL還可應用于反芻動物幼畜教槽，試驗以15%、30%BSFL替換教槽料豆粕組分后分組飼喂幼畜，結果顯示，不同組生理及生化檢測數據并無差異[50]。生長增質量及料肉比（FCR）通常用來判斷飼料報酬及經濟價值，表3列舉BSFL蟲粉及組分應用于不同畜禽飼養飼料組方畜禽料肉比情況，表明BSFL具有較大潛力，可作為畜禽飼料原料補充。

表3 黑水虻幼蟲或組分作為飼料原料或添加劑對畜禽料肉比的影響Tab.3 Effects of black soldier fly larvae or components as feed materials or additives on feed to meat ratio of the livestock and poultry

BSFL及其組分也可用于寵物飼料，TARRA等[58]利用比格犬探索將犬糧中的禽肉或禽油按比例替換為BSFL蟲粉或蟲油，其后分組飼喂分析寵物生理及血液生化變化，結果顯示，不同組增質量、消化無顯著差異，血液生化指標均在閾值范圍。進一步研究顯示，BSFL分離蛋白可以預防以及治愈寵物關節炎[59]。

由于BSFL蛋白具有較高價值，近年來，歐洲對BSF蛋白在寵物飼料上應用表現得越來越積極，抗微生物、抗氧化等研究也逐漸增多。有研究顯示，BSFL相較禽肉和魚粉具備更強的抗氧化性能[60]。事實上BSFL蛋白對機體有益性不僅表現在上述方面，其豐富的抗菌肽、幾丁質在抵抗微生物感染、提升機體免疫力、降低抗生素使用量等方面均具有非常積極的作用[39]。

黑水虻幼蟲應用于飼料原料方面同時也存在以下問題：（1）產量有限，尚未形成規模性生產，飼料組方波動大不便于配方飼料生產；（2）幼蟲蛋白質等營養成分受飼喂物影響呈現波動[41]，因此，工業化、規?；暳险{配帶來困難。

4 黑水虻消減殘渣應用于土壤及農作物生長

BSFL生物消減有機廢棄物后，殘渣產生量常與廢棄物物化性質有關，相關研究對殘渣的詳述較少，通常會注意有機廢棄物消減比例而忽視消減殘渣效用[61]。已有研究表明，殘渣營養組成會依據處理廢棄物不同而有所差異，但殘渣所含碳、氮含量較穩定，通常其比例分別為37%和3%，殘渣pH也較為穩定，常為7.5左右，廢棄物差異引起殘渣差異的主要成分有總磷（1%～5%）、總鉀（0.5%～4.1%）、微量元素[62]。SARPONG等[63]研究顯示，廢棄物含糖類/淀粉和蛋白越高、含纖維素越低則越有利于殘渣營養物質積累。

自2009年起，陸續有研究探索BSFL消減殘渣是否可用做肥料。CHOI等[64]對比商業肥料和BSFL殘渣對大白菜生長的差異，在2組肥料氮、磷、鉀及有機質含量相似的條件下，試驗對比葉數、葉長、葉寬和營養成分，結果表明，2組數據相似，但殘渣組植物吸收磷低于商業肥料組。另一方面，不同作物生長所需殘渣比例不同，有研究利用油菜評估BSFL殘渣肥力，結果當殘渣與土壤混合比例在1∶20～1∶30時有利于生長，混合比例過高（如1∶10）時則油菜葉變黃影響生長[2]。CHIAM等[65]用BSFL處理豆渣，產生的殘渣與土壤按10%、20%和30%混合后種萵苣，結果表明，只有10%試驗組有助于萵苣生長，推斷殘渣高配比組C/N值較低，引起土壤礦化。也有研究表明，BSFL轉化后的殘渣對作物生長有負面影響，2020年的一項試驗使用殘渣施于玉米，其營養水平為N 180 kg/hm2、P2O575 kg/hm2,殘渣施肥組玉米生長不良，產量、干物質、葉面積以及營養利用率均不及商業肥料，推測殘渣屬于磷主導肥料而不是氮主導肥料，這一試驗也提醒研究者殘渣對某些特定植物來說并不適合做肥料[66]。

另一方面，也有研究通過過量添加BSFL殘渣，來探索殘渣對土壤的修復作用。有研究給黑麥草施加過量殘渣后發現植物生長穩定，同時土壤可檢測到P2O5和K2O，表明其有機質含量提高，肥力提升[67]。BEESIGAMUKAMA等[68]在一塊強淋溶鐵鋁土進行了為期5周的BSFL殘渣堆肥試驗，其后在長達125 d時間內連續觀測該地養分礦化，監測結果顯示，土壤磷和鎂含量顯著高于對照，表明殘渣營養已被礦化。不同殘渣應用于土壤的結論存在矛盾，具體機制尚待進一步開展，推測其主要原因可能為殘渣使用狀態不一致所致，部分研究采用堆肥熟化殘渣，而另一些則使用新鮮殘渣，事實上，有機肥使用的重要基礎是其熟化和穩定，因此，缺乏熟化和穩定的殘渣施用于作物可能導致作物生長不良[69]。總之，BSFL殘渣的研究歷史較短，但作為一種極具潛力產品，需要多學科共同探索。

5 結語

到2050年，全球垃圾數量將達3.4億t，其中高達44%為生物可降解廢棄物。時至今日填埋和露天傾倒仍然是這些有機廢棄物的主要處理方式，當前模式不利于資源的回收利用且對環境形成巨大壓力。利用BSFL轉化有機廢棄物具有較高資源回收潛力，但該系統研究時間較短，未來需進一步完善以下方面研究：（1）廢棄物組成差異是影響轉化效率的關鍵因素，其中抗BSFL轉化的營養因子如纖維素等則起著重要作用。通過專性微生物發酵、酶降解等方法對廢棄物進行預處理，研究多級處理對BSFL轉化的作用具有較高價值；（2）建立BSFL高轉化率飼喂營養標準，利用不同廢棄物進行幼蟲飼料配比研究；（3）BSFL消減病原種類及機制研究，研究BSFL阻斷疫病傳播的潛在價值；（4）完善BSFL抗微生物活性物質的提取與活性檢測研究，探索抗菌肽在動物飼料替抗產品中的開發。