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利用腐食性昆虫黑水虻处理禽畜粪便，能够以较低的成本将大量的禽畜粪便转化为具有高附加值的昆虫蛋白源饲料，在消除环境污染的同时，为市场提供动物蛋白源饲料添加剂，从而实现农业废弃物的资源化利用。黑水虻的干物质含有42%的粗蛋白和35%的脂肪，必须氨基酸含量优于鱼粉，特别适合于水产养殖。 现代养殖企业通常采用集约化的经营模式，规模效应明显，通过大规模饲养降低单个产品的成本，从而为市场提供大量廉价的动物蛋白产品。这种集约经营的养殖场每天产生大量的禽畜粪便，如果处理不当，就会形成污染源，对当地环境造成很大的压力。最理想的处理方式是将禽畜粪便堆肥归田，但因为农用有机肥的价格偏低，大多数养殖企业无法承担收集和运输的成本，因此，将禽畜粪便转化为高附加值的产品就成为一种较为经济、可行的途径[1-3]。20 世纪50年代，科学家们提出利用家蝇Musca domestica 处理和消化禽畜粪便，并进行了相当细致的基础和应用研究[4－5]，虽然在技术上已经成熟，但是却因为成本太高而难以推广，因此，在70 年代后期，人们开始设想利用黑水虻Hermetia illucens 替代家蝇建立养殖企业的禽畜粪便处理系统[6-8]，并在较短的时间内取得了明显的进展，目前在美国已经作为一种可持续的农业模式进行试点推广。 本文就黑水虻技术应用于禽畜粪便处理的研究现状进行综述，以期能够对国内的相关研究和应用提供有益的帮助。 一、黑水虻技术的背景 黑水虻，英文名称Black soldier fly，又称光亮扁角水虻，是双翅目水虻科扁角水虻属的一种昆虫，在全球热带和亚热带的大部分地区都有分布。黑水虻的许多生物学特性都适合用于禽畜粪便的转化，例如幼虫营腐食性，食性杂，食量大、抗逆性强，生活史重叠且弹性很大，预蛹营养价值高，在化蛹前有迁移特性等，因此，在禽畜粪便转化为昆虫蛋白的研究领域，黑水虻很快就从众多的双翅目昆虫中脱颖而出，受到了广泛的关注[6－7， 9-11]。早期的研究集中于黑水虻的生物学特性和环境安全性评估，发现黑水虻对人类完全无害，对环境非常安全，黑水虻成虫即不携带病菌，也不侵入人类的居住环境，只取食少量的植物汁液，对农作物不形成任何危害[12]。实际上，黑水虻最早受到关注，是因为其能够有效地控制野生的家蝇种群，观察发现黑水虻繁衍栖息的粪堆附近家蝇的数量很少，而家蝇成虫也会尽量避免在黑水虻幼虫取食的粪堆上产卵，实验显示，黑水虻和家蝇的幼虫在混合饲养情况下，只有少量的家蝇幼虫能够发育到成熟阶段，因此，黑水虻能够通过竞争幼虫生存环境来抑制家蝇种群[9， 13－14]，另据一些未发表的资料显示，黑水虻对于其他一些种类的腐生性昆虫（如黄粉虫）也有一定的抑制作用。 进一步的研究表明，黑水虻的幼虫在取食过程中，还能对粪便中的有害病菌进行消化和分解，从而降低对环境的危害性[15]。Tomblin 等[16]对黑水虻成虫的求偶和交配行为做了细致的观察，发现黑水虻成虫在交配前有环境因子诱导的求偶行为，其中强烈的阳光是一个主要因子，而交配行为是在飞行中完成的，这就要求成虫的饲养室要有足够的空间，才能完成交配。
黑水虻成虫 二、黑水虻禽畜粪便处理系统 美国佐治亚大学的Sheppard 教授经过十几年的研究，在了解了黑水虻生物学特性的基础上，于1994年建立了一个低成本、同时也很有效的禽畜粪便处理系统[17]，技术流程如图1。实验数据显示，黑水虻可以将鸡粪（干重）以8%的转化率转化为42%的粗蛋白和35%的脂肪，而且，黑水虻还能在养殖场里通过竞争起到控制家蝇种群的作用。黑水虻能够消化大约50%的粪便重量，以及粪便中大约62%的氮素营养，最新的研究表明，氮素营养的转化率还会更高，同时对磷元素的利用率也很显著，这些数据表明，通过黑水虻的取食和消化作用来管理禽畜粪便中富集的营养元素无疑是很有效的[18]。
Sheppard 等[17]在墨西哥的一个鸡场里进行了黑水虻处理系统的应用实验，首先用硬纸板制作简易的卵诱集器，在粪堆附近诱集野生的黑水虻成虫产卵，收集的卵直接用于处理鸡粪。黑水虻幼虫孵化后取食新鲜的鸡粪完成发育，不断地填加幼虫和鸡粪就能形成一个连续的禽畜粪便处理循环。为了节省成本，Sheppard设计了一个梯形水泥槽用于饲养黑水虻，水泥槽有一个35°的斜面，黑水虻幼虫发育到预蛹阶段后会自行沿着斜面迁出水泥槽，斜面的顶部是一个PVC 管，将迁出的预蛹导入收集箱，完成黑水虻预蛹的收获。 Sheppard 等[17]将产出的黑水虻幼虫直接用来饲养牛蛙，连续两年的实验结果显示，黑水虻几乎能够使牛蛙达到最理想的收获产量，而且，这种饲养方式在阿根廷和墨西哥的农场里都非常普遍。在自然条件下，温带地区的黑水虻有5 个月的发育期，而一个存栏10 万只鸡的鸡场，产生的鸡粪可饲养出58t（干重）的黑水虻幼虫，其国际参考售价为800美元/t，其加工产品的附加值还会更高，对于农场来说，即能够解决污染问题，又能够获得可观的经济效益，可谓一举两得[18－19]。已经开发了饲养黑水虻幼虫的人工饲料，并比较了3 种不同饲料配方对黑水虻部分生物学特性的影响，结果显示3 种饲料配方都能使幼虫发育到化蛹阶段，但成虫的羽化率则表现出显著的差异[20－21]。 三、黑水虻与家蝇的比较 许多科学家致力于昆虫转化禽畜粪便的研究，旨在消除污染的同时，以禽畜粪便为底物生产昆虫蛋白源饲料。自然界中有许多昆虫的幼虫取食禽畜粪便，例如家蝇、粪蝇、丽蝇、水虻等，它们是碎屑食物链的一部分，不仅扮演着分解者的角色，而且也是许多捕食者的食物源，但是，除了黑水虻之外，其他双翅目腐食性种类大都携带病菌，存在着危害人类健康的风险，至目前为止，只有家蝇和黑水虻得到了较为深入的研究[11， 22]。El Boushy[5]对家蝇粪便处理系统进行了综述，指出这个系统需要分离设施和复杂的隔离设备，虽然效果良好，但运行成本太过昂贵，很难在实际应用中推广。黑水虻系统则可以直接利用野生种群，饲养设备也很简单，在墨西哥的鸡场仅仅使用水泥槽饲养幼虫就能达到良好的效果，另外，也不需要分离设施，因为黑水虻预蛹需要寻找干燥、隐蔽的化蛹场所，因此能够自行迁出粪堆，而黑水虻不是任何形式的害虫，无需特别的隔离措施，所有这些都导致黑水虻粪便处理系统能够在较低的成本下运行[13， 17]，黑水虻与家蝇系统的比较如下：家蝇处理系统的生活周期短（约13d），容易饲养，生物学资料丰富，但成虫携带大量病菌，需要隔离措施，幼虫不易分离；食物转化率4.2%~8.0%，粗蛋白含量为63%，对粪便中氮的消化能力可达到20%。水虻处理系统的生活周期较长（约32d），容易饲养，生物学资料较少，成虫不带病菌，对人类无害，因此无需隔离设施；幼虫容易分离；食物转化率15%~20%；粗蛋白含量42%，对粪便中氮的消化能力可达到25%。Tomberlin 等[23]比较了黑水虻幼虫与家蝇幼虫对4 种杀虫剂的抗性，结果显示黑水虻幼虫对的农药抗性远远低于家蝇，分析认为这是由于黑水虻的生存环境承载的农药选择压力较小的缘故，同时也指出，滥用农药的地区将显著降低本地的野生黑水虻种群。 四、黑水虻预蛹的营养价值分析
黑水虻的幼虫和预蛹作为豆粉和鱼粉的替代饲料，饲养了包括鸡、猪、鲶鱼、罗非鱼和牛蛙，这些实验结果都显示黑水虻幼虫能够很好地替代传统的蛋白源和脂肪源添加剂。如果从幼虫分离出纯的蛋白和脂肪，就能更加精确地进行饲料复配，黑水虻预蛹（干物质）中含有42%的粗蛋白和35%的脂肪，氨基酸和脂肪酸（表1，表2）的含量配比非常有利于水产养殖，矿物含量见下表。
国内的林启训等[26]也对黑水虻的营养价值进行了分析，结果显示其营养价值特别有利于水产养殖，必须氨基酸占氨基酸总量的比例达到51.07%，超过WHO/FAO 所规定的40%的标准，并以泥鳅为材料进行了初步的应用研究[27]，另外，还探讨了采用CO2 超临界萃取技术提取黑水虻油脂的工艺[28]。 五、结语 黑水虻粪便处理系统的环境和经济效应都很明显，不仅能够以自然清洁的方式消除农业环境中的污染源，对人类环境没有任何危害，而且能够产生明显的经济效益。黑水虻的分布广泛、饲养设备简单、自收获及较高的营养价值，使其具有良好的盈利预期，实际上，无论是养殖企业还是普通农户，都能够通过黑水虻技术将农业废弃物资源化利用，从而在微观农业生产中实现可持续的发展模式，随着研究的进一步深入，黑水虻在生物医药和保健医学方面和价值也逐渐体现出来。作为双翅目腐食性的昆虫，黑水虻和家蝇一样，幼虫具有功能强大的先天免疫系统，特别是抗菌肽类物质，是目前极具潜力的生物医药发展方向[29－30]。黑水虻幼虫的食性很杂，而不同食物对幼虫体内的代谢产物具有显著影响，研究显示，取食鱼杂的黑水虻幼虫体内富含Omega-3型脂肪酸，是对人类健康非常有益的一种保健成份[31]。 文章来源：《环境科学与技术Environmental Science & Technology》；作者：安新城、李军、吕欣； 图片来源：网络； 免责声明：本公众号系信息发布平台，如若侵权，联系删除。 |
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