亮斑扁角水虻對(duì)有機(jī)廢棄物的應(yīng)用及其腸道微生物研究進(jìn)展

陳逢浩,鄭玉姣,ASEM Elabasy,李 軍,李志剛,徐齊云*

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,廣州 510640;2. 廣東省科學(xué)院動(dòng)物研究所/廣東省動(dòng)物保護(hù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省野生動(dòng)物保護(hù)與利用公共實(shí)驗(yàn)室,廣州 510260)

城市與鄉(xiāng)村統(tǒng)籌發(fā)展過程中產(chǎn)生的廢棄物,如畜禽集約型養(yǎng)殖的糞便以及日常垃圾等,給生產(chǎn)生活造成了一系列的問題。直接排放、焚燒和填埋等傳統(tǒng)的處理方式,存在環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、非法回收和威脅食品安全等缺點(diǎn)(Shumoetal.,2019)。20世紀(jì)50年代,家蠅Muscadomestica處理糞便技術(shù)體系對(duì)以上問題提供了較為有效的解決方法,但是由于經(jīng)濟(jì)成本高難以推廣;70年代發(fā)現(xiàn)亮斑扁角水虻Hermetiaillucens可替代家蠅處理有機(jī)廢棄物,轉(zhuǎn)化后的蟲體更是一種重要的資源,該蟲具備對(duì)環(huán)境無害、成本低廉且易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),使其成為了近三十年的一個(gè)研究熱點(diǎn)(Meneguzetal.,2018)。

亮斑扁角水虻,屬雙翅目Diptera水虻科Stratioemyidae扁角水虻屬Hermatia昆蟲,又稱黑水虻,具有卵、幼蟲、蛹和成蟲4個(gè)階段,廣泛分布于世界各地(45°N和40°S之間)(Shumoetal.,2019)。幼蟲共有6個(gè)齡期,在5齡之前取食廢棄物種類廣泛且食量巨大,而預(yù)蛹期與成蟲期的亮斑扁角水虻皆不進(jìn)食,因此對(duì)廢棄物的轉(zhuǎn)化主體正是食物攝入量巨大的幼蟲階段(Joseph and Kaufman,2021)。

在國(guó)際上,亮斑扁角水虻資源利用的關(guān)注度正日漸提升,尤其在不同底物與其幼蟲之間的相互作用方面。Leong等(2016)的研究發(fā)現(xiàn),亮斑扁角水虻的單個(gè)體重、生長(zhǎng)周期以及營(yíng)養(yǎng)組成等因不同的有機(jī)廢物(污泥、果皮和棕櫚仁餅)而各異,且后代的性別比亦會(huì)產(chǎn)生變化。不僅如此,有機(jī)廢物的含水率、溫濕度、pH以及環(huán)境光照等因素也會(huì)影響亮斑扁角水虻幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育情況(Salametal.,2022)。而在我國(guó),目前較為關(guān)注亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化作用的影響機(jī)制,普遍認(rèn)為其腸道菌群為主導(dǎo)因素(喻國(guó)輝等,2010;周定中等,2012;江承亮,2018)。本文在系統(tǒng)總結(jié)了亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物類型、優(yōu)化途徑、蟲沙應(yīng)用價(jià)值與腸道微生物功能的基礎(chǔ)上,討論了該領(lǐng)域未來研究方向,以期為亮斑扁角水虻在廢棄資源方面的應(yīng)用提供新思路。

1 亮斑扁角水虻對(duì)有機(jī)廢棄物的生物轉(zhuǎn)化作用

亮斑扁角水虻幼蟲食譜廣泛,包括禽畜糞便(Lalanderetal.,2014)、餐廚垃圾(Mohd-Nooretal.,2017;周海林,2021)、動(dòng)植物殘?bào)w(楊燕等,2016;Elsayed,2020)、沼渣污泥(Lietal.,2015)等,在有機(jī)廢棄物的減量應(yīng)用方面成效顯著。

1.1 亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化禽畜糞便

全球禽畜養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)向規(guī)?；杆侔l(fā)展,但隨之產(chǎn)生的大量禽畜糞便亦造成了污染環(huán)境和資源浪費(fèi)等問題,利用亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化技術(shù)可對(duì)禽畜糞便進(jìn)行減量及除臭除菌,符合安全指標(biāo)(崔哲銘等,2022)。糞便類型作為亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化作用的重要影響因素(Mirandaetal.,2021),使得近年來的研究集中于探討不同類型禽畜糞便的轉(zhuǎn)化可行性及其轉(zhuǎn)化效率。

在應(yīng)用亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化雞糞方面,雖然雞糞干物質(zhì)的減量率可達(dá)37%～60%(Oonincxetal.,2015;Rehmanetal.,2017;Rehmanetal.,2019),但單獨(dú)轉(zhuǎn)化糞便時(shí)效果并不理想。Bortolini等(2020)的研究發(fā)現(xiàn),在雞糞中摻入粗菱沸石更適宜亮斑扁角水虻對(duì)雞糞的生物轉(zhuǎn)化作用,雞糞減量率可達(dá)75%以上;而張曉林等(2021)利用亮斑扁角水虻幼蟲轉(zhuǎn)化雞糞的研究中,減量率雖然只有41%,但蟲體的粗蛋白(42.46%)和粗脂肪(27.82%)含量較高。

關(guān)于亮斑扁角水虻處理豬糞早在20世紀(jì)70年代已有報(bào)道(Newtonetal.,1977),近年來研究表明,豬糞的干物質(zhì)減量率可達(dá)33%～55%(Zhouetal.,2013;Oonincxetal.,2015;Mirandaetal.,2019),營(yíng)養(yǎng)元素及能量的回收率達(dá)到95%～103%(Parodietal.,2021),同時(shí)還可以減少轉(zhuǎn)化過程中的溫室氣體排放(Chenetal.,2019)。但王小波等(2020)發(fā)現(xiàn),以豬糞為基質(zhì)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化后,亮斑扁角水虻幼蟲蟲體內(nèi)Cd、Cr含量超出中國(guó)《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》限值,在應(yīng)用時(shí)須謹(jǐn)慎。

在牛糞上應(yīng)用亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化技術(shù)時(shí),牛糞干物質(zhì)的減量率可達(dá)26%～58.2%(Myersetal.,2008;Lietal.,2011;Rehmanetal.,2017)。亮斑扁角水虻可轉(zhuǎn)化的禽畜糞便還有鴨糞(余峰等,2018)、兔糞(Tangaetal.,2021)、馬糞(Moulaetal.,2018)、狐貉糞(齊淑新等,2022))以及人類糞便(Lalanderetal.,2019),但是在兔糞中飼養(yǎng)的蟲體內(nèi)存在致腸道生態(tài)失調(diào)的菌種。

1.2 亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾

亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化餐廚垃圾具有轉(zhuǎn)化效率高、除臭除病菌及生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),是近年來餐廚垃圾資源利用的熱點(diǎn)。在我國(guó),尹靖凱等(2021)利用亮斑扁角水虻幼蟲對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化,減量率可達(dá)76.2%,同時(shí)蛋白質(zhì)(90.8%)與脂肪(71.5%)的轉(zhuǎn)化率也較高。據(jù)統(tǒng)計(jì),每噸餐廚垃圾(含水量80%)經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化后,可獲得0.667 t(含水量70%)亮斑扁角水虻飼料,20 kg的油脂原料(柴志強(qiáng)和朱彥光,2016)。充分說明餐余垃圾是有機(jī)廢棄物中較為理想的亮斑扁角水虻幼蟲飼養(yǎng)底物。國(guó)外利用亮斑扁角水虻幼蟲轉(zhuǎn)化餐廚垃圾可達(dá)到40%～86%的減量率(Dzepeetal.,2021;Alaaeldin and Renault,2023)。

1.3 亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化動(dòng)植物殘?bào)w

在禽畜尸體應(yīng)用方面,楊燕等(2016)利用亮斑扁角水虻處理疫病致死豬的探究中,未在吞噬了病料后的蟲體內(nèi)檢測(cè)到相應(yīng)的病原微生物,初步證實(shí)了亮斑扁角水虻幼蟲在病死畜禽尸體減量化、無害化處理中的可行性。同時(shí),亮斑扁角水虻幼蟲可以在含有非洲豬瘟病毒(African Swine Fever Virus,ASFV)的內(nèi)臟中飼養(yǎng),收獲的蟲體用作動(dòng)物飼料時(shí)傳播ASFV的風(fēng)險(xiǎn)很低,為養(yǎng)殖業(yè)瘟疫病、禽流感等提供了綠色高效的解決方案(Olesenetal.,2022)。

近年來提倡農(nóng)作物秸稈還田,但普遍寄存于秸稈中的病菌和蟲卵會(huì)加重土壤污染以及下茬作物的病蟲害,合理、高效且環(huán)保的對(duì)秸稈進(jìn)行利用,有利于治理環(huán)境污染及資源回收。Gao等(2019)的研究表明,亮斑扁角水虻幼蟲可以生物轉(zhuǎn)化經(jīng)米曲霉發(fā)酵處理后的玉米秸稈,粗蛋白與粗纖維含量分別為41.76%與30.55%。Chen等(2019)認(rèn)為玉米秸稈的加入改善了底物的空間結(jié)構(gòu),有利于細(xì)菌生存,同時(shí)影響有毒金屬的遷移。Liu等(2022)的研究也證實(shí)了加入玉米秸稈相較于雞、豬糞等底物,可提高對(duì)有毒金屬的固定。另外,油菜籽秸稈與雞糞混合飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻幼蟲蟲體所制備的生物柴油具有更高的十六烷值和氧化穩(wěn)定性,而且轉(zhuǎn)化率可達(dá)到94.4%(Elsayed,2020)。

1.4 亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化污泥廢棄物

剩余污泥中有害物質(zhì)較多,是其造成生態(tài)環(huán)境污染的主要原因之一,探索有效的生物處理方法極為迫切。Lalander等(2019)發(fā)現(xiàn)相較于其他的有機(jī)物質(zhì)(獸用飼料、餐廚垃圾、禽畜糞便、動(dòng)物內(nèi)臟等),污泥的反硝化率與物質(zhì)還原率最低,而且預(yù)蛹期長(zhǎng),蛹體也小,表明污泥不宜單獨(dú)作為底物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻。Raksasat等(2022)的研究結(jié)果認(rèn)為,亮斑扁角水虻幼蟲對(duì)污泥生物轉(zhuǎn)化作用微弱的主要原因是存在于污泥中的胞外聚合物質(zhì)(Extracellular polymeric substances,EPS)將其生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)鎖住,使其無法吸收導(dǎo)致發(fā)育受阻。但有研究表明,污泥中摻雜不同比例的麥麩可提高亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化能力進(jìn)而可對(duì)污泥減量處理,污泥含量在60%時(shí)減量效果最佳(14.72%),且可降低Pb、Cd、Cr、Ni等重金屬含量,經(jīng)轉(zhuǎn)化后的蟲體重金屬指標(biāo)符合GB 13078～2001規(guī)定的含量,可作為家禽的混合飼料(魏亞茹,2020)。

1.5 亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化殘?jiān)鼜U棄物

殘?jiān)鼜U棄物中一般含有發(fā)酵副產(chǎn)物、代謝產(chǎn)物、代謝副產(chǎn)物、抗生素及重金屬等有毒有害物質(zhì)(Guoetal.,2012),相比于物理與化學(xué)方法,生物降解法處理此類廢棄物更為安全與高效。劉存成(2020)利用抗生素菌渣(土霉素)與豆粕飼喂亮斑扁角水虻幼蟲的研究中,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其腸道中的ARGs(Antibiotic Resistance Genes)、TRGs(Tetracycline Resistance Genes)和MGEs(Mobile Genetic Elements)豐度顯著提高,其中TRGs可保證幼蟲耐受高濃度的OTC(Oxytetracycline),從而實(shí)現(xiàn)其對(duì)土霉素菌渣的生物轉(zhuǎn)化作用。亮斑扁角水虻幼蟲對(duì)中草藥渣同樣具備生物轉(zhuǎn)化作用,但處理后的蟲體粗蛋白含量較低,僅有30.03%(王慧姣等,2021)。

2 亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化效率的影響因素

亮斑扁角水虻幼蟲對(duì)不同種類的有機(jī)廢棄物都具有生物轉(zhuǎn)化作用,但有機(jī)廢棄物內(nèi)復(fù)雜的理化性質(zhì)及微生物組成同樣反作用于亮斑扁角水虻幼蟲,進(jìn)而對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育和轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生影響。當(dāng)飼喂的幼蟲密度不同或者底物中混合著多種有機(jī)廢棄物時(shí),情況更為復(fù)雜。

2.1 底物中理化條件對(duì)亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化效率的影響

在利用亮斑扁角水虻對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化時(shí),適當(dāng)調(diào)整飼養(yǎng)底物中的理化條件(如底物含水率、pH值和環(huán)境溫度等)對(duì)轉(zhuǎn)化效率有積極影響。

余玉麟(2022)通過單因素試驗(yàn)表明,底物的含水率對(duì)餐廚垃圾轉(zhuǎn)化率有顯著的影響。飼養(yǎng)底物的含水率是決定亮斑扁角水虻生長(zhǎng)發(fā)育和生物轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素,在含水率為30%的底物中絕大部分亮斑扁角水虻幼蟲無法存活,含水率為50%與70%的底物則會(huì)延長(zhǎng)幼蟲到預(yù)蛹的時(shí)間,而含水率在70%～80%時(shí)幼蟲的生物轉(zhuǎn)化效率最高(Lalanderetal.,2014;喻國(guó)輝等,2014;Matosetal.,2021)。盡管亮斑扁角水虻的抗逆性較強(qiáng),但過高的鹽濃度不利于其生長(zhǎng)發(fā)育(姬越等,2018),pH偏低同樣會(huì)影響其幼蟲的養(yǎng)分利用(Brits,2017),pH為6～10的環(huán)境最適宜幼蟲生長(zhǎng)(Meneguzetal.,2018)。對(duì)于難以轉(zhuǎn)化的污泥,改變其pH可以破壞EPS的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以釋放,促進(jìn)幼蟲生長(zhǎng)發(fā)育(Raksasatetal.,2022)。

物理?xiàng)l件方面,最適宜亮斑扁角水虻生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境溫度范圍為27～30℃,黑暗與光照條件下亮斑扁角水虻幼蟲都可正常生長(zhǎng),但無光條件有利于幼蟲生長(zhǎng)及沉淀脂肪,光照條件則有利于蛋白質(zhì)沉淀(劉宏宇等,2015;Shumoetal.,2019;黃中佐等,2022)。此外,小分子類有機(jī)物質(zhì)如碳水化合物等對(duì)于亮斑扁角水虻幼蟲來說較為容易分解吸收,而大分子類有機(jī)物質(zhì)如蛋白質(zhì)和淀粉等則較難處理,對(duì)較大顆粒的有機(jī)廢棄物進(jìn)行粉碎處理后,有助于提高幼蟲的消化能力(Brits,2017;任立斌,2020)。

對(duì)于規(guī)模較大的生物轉(zhuǎn)化工廠而言,根據(jù)亮斑扁角水虻幼蟲各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的適宜范圍,可在對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行回收、分類以及轉(zhuǎn)化等程序中做出相應(yīng)調(diào)整,達(dá)到調(diào)配產(chǎn)出幼蟲體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)組分比例的效果,促進(jìn)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

2.2 混合型底物對(duì)亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化效率的影響

單獨(dú)處理有機(jī)廢棄物時(shí),轉(zhuǎn)化效率往往較低,尤其在禽畜糞便方面(El-Dakaretal.,2021;Loganetal.,2021;Widyaswaraetal.,2022)?；旌闲偷孜锏慕M合具有多樣性,不同組合對(duì)幼蟲轉(zhuǎn)化效率的影響存在較大差異。將不同類型的底物混合飼喂亮斑扁角水虻不僅改善了對(duì)幼蟲的負(fù)面影響,還可促進(jìn)其對(duì)有機(jī)廢棄物的生物轉(zhuǎn)化作用(Rehmanetal.,2023)。

彭超等(2022)研究表明,將小龍蝦廢棄物與豆腐渣(4∶1)混合后飼喂亮斑扁角水虻,其幼蟲存活率更高?；ㄉ熍c玉米粉營(yíng)養(yǎng)水平高,摻雜到豬糞或鴨糞中飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,可加速其生長(zhǎng)發(fā)育,進(jìn)而提升其生物轉(zhuǎn)化率(徐齊云等,2014;馬加康等,2016)。農(nóng)作物秸稈還可與餐廚垃圾、豬糞等混合,通過改善底物空間結(jié)構(gòu)來增加幼蟲的取食量與轉(zhuǎn)化率(許靜楊等,2020)。Rehman等(2017)的研究同樣表明,用不同比例的牛糞與雞糞制備的混合飼料飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲可有效提高其對(duì)廢棄物的處理能力。El-Dakar等(2021)則發(fā)現(xiàn)鵪鶉糞和羊糞混合配制的底物,可使轉(zhuǎn)化后的蟲體中獲得較高的總蛋白(38%)和必需氨基酸(43%)。另外,利用微生物協(xié)同幼蟲對(duì)有機(jī)廢棄物進(jìn)行共轉(zhuǎn)化是近年來的新熱點(diǎn),研究表明枯草芽孢桿菌Bacillussubtills屬于亮斑扁角水虻幼蟲腸道微生物群,雞糞中摻入枯草芽孢桿菌與幼蟲進(jìn)行共轉(zhuǎn)化,雞糞的減量率增加13.4%,蟲體重量增加15.9%(Xiaoetal.,2018)。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可根據(jù)對(duì)亮斑扁角水虻幼蟲營(yíng)養(yǎng)組分的需求以及底物成本等因素,選取不同種類的有機(jī)廢棄物進(jìn)行組合,對(duì)其生物轉(zhuǎn)化效率具有積極影響。

2.3 幼蟲密度對(duì)亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化效率的影響

幼蟲密度作為影響生物轉(zhuǎn)化作用效率的傳統(tǒng)因素,在不同的底物中可以顯著改變底物的pH和一些常見菌屬的相對(duì)豐度,進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化效率(Niuetal.,2022;Schrevenetal.,2022)。

適宜的幼蟲密度不僅可以提高導(dǎo)電率和總有機(jī)碳降解率,對(duì)固定Cd、Cr、Cu、Zn也有較好的效果(Jiangetal.,2022)。以不同密度的幼蟲對(duì)不同汞含量的餐廚垃圾進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化時(shí),幼蟲密度與餐廚垃圾中汞的吸收量成正比關(guān)系(Attiogbeetal.,2019)。此外,轉(zhuǎn)化效率還與幼蟲密度、蟲齡緊密相關(guān),蟲齡對(duì)整個(gè)生物轉(zhuǎn)化過程的耗時(shí)有影響,而過多的幼蟲密度則會(huì)在底物周圍形成障礙,降低對(duì)底物的消耗速度,適宜的密度與蟲齡可獲得較好的轉(zhuǎn)化效果(Liuetal.,2022)。Pintowantoro等(2021)發(fā)現(xiàn),17 g 5日齡的幼蟲每天能夠處理0.7 kg的有機(jī)廢物。在餐廚垃圾方面,投入100 g 7日齡的幼蟲有較高的減量率和營(yíng)養(yǎng)回收率(尹靖凱等,2021)。在轉(zhuǎn)化禽畜糞便時(shí),Matos等(2021)的研究發(fā)現(xiàn)在27 g的牛糞中投入300頭4日齡的幼蟲,對(duì)干物質(zhì)、氮和磷等具有較好的減量效果;而字曉等(2020)的研究則認(rèn)為在20 kg的牛糞中投入8 750頭4日齡幼蟲的效益最佳。

3 亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物后蟲沙的應(yīng)用

有機(jī)廢棄物經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后的蟲沙若無法妥善處理,勢(shì)必造成二次環(huán)境污染與資源浪費(fèi)。通過混合不同種類有機(jī)廢棄物的手段調(diào)整蟲沙中的物質(zhì)組分,輔以對(duì)特定產(chǎn)品的肥料分析,可使其達(dá)到有機(jī)肥料的標(biāo)準(zhǔn),再次利用。蟲沙中的pH偏堿性,干物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素含量較高,合理施用可促進(jìn)玉米、水稻、黑麥草等的生長(zhǎng)(Beesigamukamaetal.,2020;G?rttling and Schulz,2021;Meninoetal.,2021;Wangetal.,2022)。

3.1 糞便經(jīng)亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化后的蟲沙

禽畜糞便經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理過后無臭味、質(zhì)地松軟,可作優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥(Lietal.,2011;Lalanderetal.,2013;Bortolinietal.,2020)。張曉林等(2021)的研究中,雞糞經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后重金屬含量有小幅變化,有機(jī)質(zhì)含量(59.9%)、總養(yǎng)分含量(10.58%)以及pH(8.41)等指標(biāo)均符合《有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》(NY 525-2012)。Liu等(2019)探究雞糞、豬糞和牛糞堆肥效果的試驗(yàn)中,經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理后總磷、總凱氏氮和總營(yíng)養(yǎng)素等養(yǎng)分指標(biāo)顯著提升,有機(jī)質(zhì)降解率(20.31%～22.18%)同樣得到改善,相比于對(duì)照組更適宜作為有機(jī)肥。另外,經(jīng)轉(zhuǎn)化后的蟲沙可作有機(jī)肥的還有鴨糞,其中的總養(yǎng)分(≥5%)和有機(jī)質(zhì)(≥25%)均符合生物有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)(NY 884 2012)(余峰等,2018)。

3.2 餐廚垃圾經(jīng)亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化后的蟲沙

在日常生活中,餐廚垃圾極易混入含有鉛、汞等重金屬的洗滌用品。研究表明,經(jīng)亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化后的餐廚垃圾底物中汞含量最低可降至4.09 mg/kg,符合大部分國(guó)家對(duì)堆肥中汞含量的最低要求(Attiogbeetal.,2019)。尹靖凱等(2021)則發(fā)現(xiàn),餐廚垃圾中N(13.5%)、P(130.0%)、Na(92.9%)含量經(jīng)轉(zhuǎn)化后均顯著提升,同時(shí)提高了蟲沙的有機(jī)質(zhì)含量(28.9%),達(dá)到有機(jī)肥料的限值標(biāo)準(zhǔn)。亮斑扁角水虻對(duì)餐廚垃圾中存在的其他重金屬、營(yíng)養(yǎng)元素等具有不同程度的吸收作用,但相較于糞便,餐廚垃圾中重金屬來源較廣、種類較雜,且轉(zhuǎn)化過程中伴有新物質(zhì)的產(chǎn)生,因此不宜直接堆肥。

3.3 殘?jiān)勰嘟?jīng)亮斑扁角水虻生物轉(zhuǎn)化后的蟲沙

殘?jiān)c污泥等物質(zhì)中有機(jī)物含量較低,作為單一底物對(duì)亮斑扁角水虻幼蟲進(jìn)行投喂時(shí)很難達(dá)到其生長(zhǎng)發(fā)育要求,常需結(jié)合禽畜糞便、餐廚垃圾及其他飼料混合飼養(yǎng),因此蟲沙中除了已轉(zhuǎn)化的有機(jī)物含量外,其他的物質(zhì)組成與原底物中殘?jiān)?、污泥的相似度?較為適宜應(yīng)用于種植方面。研究表明,殘?jiān)?jīng)生物轉(zhuǎn)化后的蟲沙,有營(yíng)養(yǎng)成分含量足、有機(jī)質(zhì)降解率高等優(yōu)點(diǎn),可促進(jìn)腐殖化進(jìn)程,抑制土壤中的致病菌,遏制害蟲侵?jǐn)_,提升作物種子發(fā)芽指數(shù)(鄧舟等,2021;張浩等,2022;Monikaetal.,2022;Abiyaetal.,2022)。此外,污泥與餐廚垃圾經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲轉(zhuǎn)化后的蟲沙,若直接農(nóng)用可引起植物和土壤的毒性反應(yīng),經(jīng)處理后其營(yíng)養(yǎng)元素及重金屬含量均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),不僅可改善土壤結(jié)構(gòu),且安全性更高、毒性更小,適合用作農(nóng)田肥料和非食用植物的種植肥料(魏亞茹,2020;Anjali and Surindra,2022)。

4 亮斑扁角水虻腸道微生物的功能

亮斑扁角水虻幼蟲的腸道是其生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的主要場(chǎng)所,而腸道中的微生物群則是亮斑扁角水虻可對(duì)廢棄物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和產(chǎn)出高蛋白的主要功能因子,腸道微生物的組成受抗菌蛋白、pH和酶等的影響,來源則取決于幼蟲的取食和生活環(huán)境(Rehmanetal.,2017;Goldetal.,2018;Zhanetal.,2020)。基質(zhì)類型是腸道微生物群落組成的最強(qiáng)驅(qū)動(dòng)因子(Schrevenetal.,2022),在大多數(shù)生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中,可以與幼蟲相互作用的微生物群落主要是細(xì)菌,但也包括真菌、病毒、古生菌等,可能還有原生生物(Tangaetal.,2021)。研究表明,存在于亮斑扁角水虻幼蟲腸道中的微生物群可分泌大量的酶,廢棄物中的碳水化合物和蛋白質(zhì)在酶的作用下分別被還原為單糖和氨基酸,脂肪則轉(zhuǎn)化為脂肪酸及甘油三酯,被微生物或幼蟲進(jìn)一步利用(Kimetal.,2011;Carvalhoetal.,2012;Yuetal.,2022;王聰?shù)?2022)。不同種類有機(jī)廢棄物中腸道微生物的組成各異,調(diào)整飼養(yǎng)底物中的有機(jī)廢棄物類型,可改變腸道微生物群的結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響亮斑扁角水虻幼蟲的生物轉(zhuǎn)化作用效果。

4.1 禽畜糞便中的亮斑扁角水虻腸道微生物

紀(jì)佳雨(2020)利用豬糞、蟲沙作為底物飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,結(jié)果共獲得OUTs 1 480個(gè),其中蟲沙組共檢測(cè)出30門49綱105目178科339屬 515種838個(gè)OUT,相比于單純飼喂豬糞組,蟲沙返飼的亮斑扁角水虻腸道內(nèi)及蟲沙中微生物的多樣性、相似性、豐富度、優(yōu)勢(shì)菌群均更高,表明腸道微生物對(duì)于亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化作用起主導(dǎo)作用。將亮斑扁角水虻幼蟲飼養(yǎng)于微生物多樣性較高的禽畜糞便中,不僅可對(duì)腸道微生物群落進(jìn)行優(yōu)化,還可影響相關(guān)功能基因的表達(dá)。研究表明,飼養(yǎng)于糞便中的亮斑扁角水虻幼蟲,其腸道可以減低底物內(nèi)對(duì)人畜有害的病菌,比如大腸桿菌Escherichiacoli和沙門氏菌Salmonella(Lalanderetal.,2013;Elhagetal.,2022)。Wu等(2021)的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)亮斑扁角水虻幼蟲處理后,存在于豬糞中的病原菌豐度顯著降低(89%),并且幼蟲體內(nèi)與抗金屬相關(guān)的功能基因如CutC、pcoC、cusR、zurR和zntB等明顯增強(qiáng)。另外,可直接利用幼蟲腸道的菌群對(duì)培養(yǎng)底物進(jìn)行“改良”,“改良”后的培養(yǎng)底物可對(duì)幼蟲階段及其生物轉(zhuǎn)化作用產(chǎn)生積極影響。何國(guó)寶(2010)將采自亮斑扁角水虻腸道及體表的枯草芽孢桿菌菌株接種至已滅菌的雞糞中飼養(yǎng)亮斑扁角水虻幼蟲,提高了亮斑扁角水虻預(yù)蛹重量和收獲量,對(duì)干物質(zhì)利用率及幼蟲成活率也有提升作用,但在成蟲壽命和體長(zhǎng)等方面存在負(fù)面影響。

4.2 餐廚垃圾中的亮斑扁角水虻腸道微生物

江承亮(2018)在探討亮斑扁角水虻幼蟲腸道菌群對(duì)餐廚垃圾生物降解的影響機(jī)制中發(fā)現(xiàn),幼蟲降解有機(jī)物的能力是通過一個(gè)介于堆體菌群與腸道菌群之間的中間新生態(tài)位而實(shí)現(xiàn)的:在一些低豐度腸道菌調(diào)控下堆體菌群與腸道菌群入侵彼此生態(tài)位,進(jìn)而促使新生態(tài)位形成;在代謝功能方面,堆體菌群接種亮斑扁角水虻幼蟲后,腸道菌群可對(duì)堆體菌群進(jìn)行“重新塑造”,亮斑扁角水虻堆肥組所測(cè)得的21種代謝功能中有11種代謝功能以及42.3%的功能基因顯著高于對(duì)照組;而群落結(jié)構(gòu)的改變則呈現(xiàn)先分離后靠近,逐漸相似的趨勢(shì)。餐廚廢棄物中的物質(zhì)組分與理化性質(zhì)復(fù)雜,使得底物中微生物在進(jìn)入腸道前經(jīng)歷嚴(yán)格的競(jìng)爭(zhēng)篩選,相較于禽畜糞便生物多樣性下降,但代謝、抑菌以及消化等功能均有所提高。有研究報(bào)道,亮斑扁角水虻腸道環(huán)境具有低pH、多種蛋白水解酶與廣譜抗菌物質(zhì)并存的特點(diǎn),使得堆體中的微生物與腸道微生物在強(qiáng)大的選擇壓力下大量消亡,微生物多樣性下降,但益生菌比例提升而有害菌比例下降了(Goldetal.,2018;Bonellietal.,2019)。同時(shí),姜慧敏(2020)發(fā)現(xiàn)亮斑扁角水虻幼蟲腸道內(nèi)可產(chǎn)生抑制大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌Salmonellatyphimurium的自身免疫因子;而金黃色葡萄球菌Staphylococcusaureu的滅活主要依賴于其腸道菌群的競(jìng)爭(zhēng)性抑制,調(diào)節(jié)pH可增強(qiáng)腸道菌群的作用,提升免疫活性。對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行預(yù)處理,優(yōu)化其理化環(huán)境或人為接種益生菌促進(jìn)良性競(jìng)爭(zhēng),進(jìn)而營(yíng)造微生物群良好的生存環(huán)境,可有效提高亮斑扁角水虻對(duì)餐廚垃圾的生物轉(zhuǎn)化能力。

4.3 發(fā)酵飼料中的亮斑扁角水虻腸道微生物

發(fā)酵飼料的處理工藝較為獨(dú)特,所以對(duì)微生物測(cè)定方法的要求較高,目前在亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化發(fā)酵飼料方面,鮮有關(guān)于腸道微生物的研究報(bào)道。此外,滅菌處理也會(huì)對(duì)微生物的種類有一定影響,使得不同種類腸道菌群所對(duì)應(yīng)的酶活性發(fā)生變化,進(jìn)而影響亮斑扁角水虻幼蟲的轉(zhuǎn)化效率?？盗栌?2021)利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)測(cè)定菌量在發(fā)酵過程中的變化情況時(shí),發(fā)現(xiàn)飼料中的優(yōu)勢(shì)發(fā)酵菌種為植物乳桿菌Lactobacillusplantarum,且混菌發(fā)酵的菌群生長(zhǎng)環(huán)境比單菌發(fā)酵更為復(fù)雜,生長(zhǎng)情況因菌種的不同而不同。徐健(2016)在利用發(fā)酵飼料對(duì)亮斑扁角水虻消化酶活性和腸道菌群的特征研究中,發(fā)現(xiàn)經(jīng)滅菌處理的飼料對(duì)幼蟲消化酶活性無影響,但會(huì)使幼蟲腸道菌群的種類數(shù)量下降;而對(duì)幼蟲進(jìn)行消毒處理后,其淀粉酶活性有所下降。

4.4 其他廢棄物中的亮斑扁角水虻腸道微生物

近年來借助分子技術(shù),在亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化各種廢棄物過程中微生物的動(dòng)態(tài)變化得以精細(xì)測(cè)定與追蹤,進(jìn)一步證實(shí)了主要功能場(chǎng)所為亮斑扁角水虻幼蟲腸道,且其中的微生物組成對(duì)幼蟲的代謝功能起主導(dǎo)作用。劉存成(2020)的研究發(fā)現(xiàn),許多發(fā)生于昆蟲腸道中的代謝反應(yīng)并非通過其自身的基因組編碼,而是由其腸道微生物群的元基因組編碼的,并且亮斑扁角水虻幼蟲降解抗生素的過程主要在其腸道內(nèi)完成。同時(shí),Zhan等(2020)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了飲食或時(shí)間點(diǎn)非相關(guān)的 16個(gè)操作分類單元(OTUS)微生物是與亮斑扁角水虻消化有機(jī)廢棄物相關(guān)的核心微生物群。

經(jīng)腸道、酶、抗菌蛋白篩選后的微生物群,在幼蟲體內(nèi)時(shí)可增強(qiáng)其消化吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力及免疫能力,而排放后則可調(diào)整蟲沙中生物多樣性,從而抑制病原體生長(zhǎng)(Brunoetal.,2019)。鄒修為(2020)測(cè)定了亮斑扁角水虻在轉(zhuǎn)化4種不同類型底物(豬糞、豆渣、雞糞、淤泥)時(shí)腸道微生物中菌株Y4-39的抗菌活性,發(fā)現(xiàn)其對(duì)辣椒白絹病菌Sclerotiumrolfsii和辣椒疫霉菌Phytophthoracapsici具有很強(qiáng)的抑制作用,并且各基因簇(羊毛硫肽、芬枯草菌素、地非西丁、萜類物質(zhì)等)關(guān)鍵基因的表達(dá)量都相對(duì)較高,表明其能產(chǎn)生多種具有抑菌活性的物質(zhì)。另外,有研究在亮斑扁角水虻腸道中分離并鑒定出枯草芽孢桿菌屬、BSF-CL菌屬,對(duì)于小麥紋枯病病原菌Rhizoctonia、水稻黃單胞菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae和金黃色葡萄球菌等多種有害菌有較為顯著的抑菌效果(喻國(guó)輝等,2010;周定中等,2012;Hyung Choi and Jiang,2014)。盡管已明確主要功能場(chǎng)所位于亮斑扁角水虻腸道,但對(duì)其篩選機(jī)制的探索目前仍處于空白,腸道菌群種類、可抑制的病原菌與病毒種類尚未完全清晰,抑菌的活性物質(zhì)及其操控基因方面亦有待進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

綜上所述,亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物的范圍廣泛,轉(zhuǎn)化后的蟲體及蟲沙應(yīng)用價(jià)值高,可有效緩解環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題,助力實(shí)現(xiàn)“一控、兩減、三基”目標(biāo)。但此項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)仍處于起步階段,面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

5.1 底物類型與理化條件

亮斑扁角水虻幼蟲對(duì)禽畜糞便與餐廚垃圾兩類有機(jī)廢棄物的轉(zhuǎn)化率均可達(dá)到70%以上,但均是建立在添加外源飼料的基礎(chǔ)上,對(duì)殘?jiān)勰嗟鹊霓D(zhuǎn)化能力較弱,甚至無法單獨(dú)轉(zhuǎn)化。首先,應(yīng)探明亮斑扁角水虻無法單獨(dú)轉(zhuǎn)化的有機(jī)廢棄物類型以及其中可添加的物質(zhì)與比例;其次,探討兩種或以上的有機(jī)廢棄物混合對(duì)轉(zhuǎn)化率的提升效果,如禽畜糞便的混合轉(zhuǎn)化;再次,進(jìn)一步明確亮斑扁角水虻幼蟲在混合型底物中生物轉(zhuǎn)化的生理生化指標(biāo),形成一套規(guī)?；a(chǎn)的最佳參數(shù),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率的提高。

5.2 腸道微生物作用機(jī)制

近年來大量研究從微觀層面表明亮斑扁角水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化作用的主要場(chǎng)所在其腸道,主要功能因子為腸道中的微生物群,但受限于腸道分離技術(shù),對(duì)其中的作用方式與免疫機(jī)制尚不清楚。隨著分子技術(shù)的不斷發(fā)展,此領(lǐng)域未來的研究應(yīng)以腸道微生物為主,完善群落結(jié)構(gòu)版圖,探明其降解重金屬與促進(jìn)酶類、抗菌物質(zhì)合成的機(jī)制,以期使有益菌定殖于腸道內(nèi),促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化作用。此外,對(duì)病死禽畜尸體內(nèi)病原菌的消滅效果及其機(jī)制研究較少。

5.3 蟲體的應(yīng)用與安全性

亮斑扁角水虻的蟲體富含蛋白質(zhì)和脂肪,開發(fā)空間巨大,應(yīng)加大其高附加值產(chǎn)品的研發(fā)力度。同時(shí),蟲體中富含的抗菌肽可作為抗生素替代品是目前的研究熱點(diǎn),闡明抗菌肽的耐藥性、分泌特征與抑癌作用較為迫切。有研究表明亮斑扁角水虻蟲粉摻入飼料中喂養(yǎng)肉雞,不僅可降低成本,提升產(chǎn)量,還可加強(qiáng)肉雞的免疫能力,有效降低病毒病發(fā)病率與死亡率(Zhangetal.,2021)。探究飼料中添加蟲體對(duì)飼養(yǎng)對(duì)象預(yù)防疾病的能力與治療效果,以及適宜的添加比例。另外,幼蟲階段轉(zhuǎn)化的有機(jī)廢棄物中含有病菌、病毒、農(nóng)藥及重金屬等,在飼料、食品和醫(yī)藥方面應(yīng)用時(shí)須進(jìn)行檢測(cè)、殺菌和消毒,提高安全性。

5.4 政策引導(dǎo)與市場(chǎng)推廣

亮斑扁角水虻轉(zhuǎn)化廢棄資源的技術(shù)近三十年來才得以快速發(fā)展,相關(guān)的立法滯后于發(fā)展。近些年來基礎(chǔ)研究的成果不僅助推立法,也獲得了市場(chǎng)認(rèn)可。在歐美地區(qū),通過新食品立法允許食用昆蟲消費(fèi)合法化,由特定底物飼養(yǎng)的亮斑扁角水虻可適用為魚類飼料的動(dòng)物蛋白源(Chenetal.,2019;Gascoetal.,2020;Van Huis,2020)。在我國(guó),生活質(zhì)量的提升促進(jìn)飼料蛋白需求逐年增加,然而蛋白質(zhì)資源緊缺,近七成的大豆和魚粉依賴于進(jìn)口(郝建偉等,2022)。

基于我國(guó)國(guó)情,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部出臺(tái)《飼料中玉米豆粕減量替代工作方案》等相關(guān)政策,對(duì)有機(jī)廢棄物資源化處理的同時(shí)提高畜牧業(yè)優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)飼料的自給率(高鵬翔等,2023)。一方面,應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)政策,制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)監(jiān)管力度,提高社會(huì)面對(duì)有機(jī)廢棄物分類的關(guān)注度,鼓勵(lì)對(duì)餐廚垃圾、禽畜糞便、動(dòng)植物殘?bào)w、工業(yè)殘?jiān)勰嗟冗M(jìn)行集中化正規(guī)化處理;對(duì)有機(jī)廢棄物資源化處理的企業(yè)減稅,轉(zhuǎn)化產(chǎn)品代銷,形成良性閉合產(chǎn)業(yè)鏈,從政府與市場(chǎng)方面反向助推亮斑扁角水虻基礎(chǔ)研究。另一方面,農(nóng)業(yè)部門結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況投入專項(xiàng)經(jīng)費(fèi),助力科研院所與團(tuán)隊(duì)攻關(guān)此項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的疑難問題;并成立地方產(chǎn)業(yè)研究院,促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化,帶動(dòng)行業(yè)良性發(fā)展。