我国利用昆虫转化有机废弃物的发展现状及前景

李 逵，杨启志，雷朝亮，朱 芬*

(1. 华中农业大学植物科学技术学院，湖北省利用昆虫转化有机废弃物国际科技合作基地，武汉 430070；2. 江苏大学农业工程研究院，江苏镇江 212013)

我国利用昆虫转化有机废弃物的发展现状及前景

李 逵1，杨启志2，雷朝亮1，朱 芬1*

(1. 华中农业大学植物科学技术学院，湖北省利用昆虫转化有机废弃物国际科技合作基地，武汉 430070；2. 江苏大学农业工程研究院，江苏镇江 212013)

畜禽粪便、厨余垃圾、秸秆等有机废弃物排放量超过环境容量，会造成生态污染,影响人类的生活。利用昆虫处理有机废弃物，既可以实现减量，又可以获得昆虫产品及生物有机肥，符合环境污染治理的基本原则。本文综述了有机废弃物的污染、生物处理方法、利用昆虫处理的研究和应用现状，探讨了昆虫转化有机废弃物的瓶颈问题及未来的重要发展方向。

有机废弃物；昆虫转化；畜禽粪便；厨余垃圾

有机废弃物主要包括餐厨垃圾、畜禽粪便、植物残余物、动物尸体等，过量的有机废弃物会破坏生态环境，造成污染。有机废弃物露天堆放或直接填埋，需要占据耕地或城市建设用地，使土地短缺更严重。因此，运用生态学原理构建腐生生物链是发展畜牧业循环经济、减轻环境污染的重要举措，是实现低碳畜牧和资源循环再利用的关键。利用腐生性昆虫的取食行为转化有机废弃物，收获的昆虫蛋白回归动物饲料，虫粪作为有机肥回归农田，这一处理方式符合资源化、减量化、无害化、生态化这一污染治理原则。本文分析了我国有机废弃物污染现状及治理措施，总结了利用昆虫转化有机废弃物的研究现状，思考并展望了利用昆虫转化有机废弃物的发展瓶颈及可能的解决策略。

1 有机废弃物污染现状及生物治理措施

1.1 有机废弃物的污染现状

餐厨垃圾是城市垃圾的主要组成部分之一且数量巨大。据武汉市城管委调查，2015年武汉市仅主城区每天餐厨垃圾产生量约为1105 t。餐厨垃圾的危害不容小觑。第一，餐厨垃圾因其丰富的有机质含量，极易滋生病原微生物。在自然状态下放置24 h后，每克餐厨垃圾中细菌含量即可达到3.2×108个单位，其中大肠杆菌含量可达4.3×105cfu/g，酵母菌含量达107cfu/g，另外还有数量巨大且繁殖快速的霉菌，如黄曲霉菌等(曾宪兴等，2007)。大肠杆菌可导致仔猪的黄痢病、白痢病、腹泻和水肿病等(陈祥等，2008)，以及人类的肠炎和泌尿系统感染等肠道外感染(Zhang, 2000; Petrietal., 2008)；黄曲霉菌产生的黄曲霉素对人畜有极强毒性和致癌性(Clifford and Rees, 1967; Ross, 1992)。第二，餐厨垃圾还会产生乙醇、乙醛、乙酸乙酯、甲硫醇、柠檬烯、二甲二硫醚等气味物质，其中二甲二硫醚和甲硫醇是恶臭污染物排放受控物质，恶臭物质总浓度最高时达到25.039 mg/m3(王攀等，2014)。第三，餐厨垃圾还会招致鼠虫蚊蝇，传播疾病。

随着畜禽养殖的广泛展开，随之而来的畜禽粪便的处理问题越发棘手。有统计资料显示，截止2015年我国畜禽粪便产生量已达1×106万 t。畜禽粪便首先易造成富营养化，由于强淋溶性会有30%进入水体，造成地下水的硝酸盐和磷素污染和地表水富营养化，彭里(2004)的调查结果显示，重庆市有约63%的大中型水库开始出现富营养化。其次，畜禽粪便中重金属超标现象时有报道，如谢忠雷等(2011)的研究表明，在吉林地区猪粪中Zn、Cu含量的平均值为381.8 mg/kg、243.6 mg/kg，自然堆放时，这两种重金属都会明显向土壤迁移并积累。第三，畜禽粪便中有多种有害微生物，如链球菌、双歧杆菌、乳杆菌、芽孢杆菌和酵母菌等(赖国旗等，1997)。畜禽养殖场排放的每毫升污水中，有33万个大肠杆菌和69万个大肠球菌，每1000 mL有190多个蛔虫卵和1000多个线虫卵(刁治民等，2004)。第四，畜禽粪便多具有恶臭，主要包括氨、硫化氢、酚类、硫醇类、粪臭素等臭味物质(Rosenfeld, 2004)，长期处在氨气、硫化氢环境中时，可引起人的呼吸道疾病和神经系统疾病(Kassetal., 1972; 肖航等，2005；赵红宇等，2009)。

植物残余物以农作物秸秆为主。我国植物残余物仅农作物秸秆的年产量已超过10万 t。农作物秸秆燃烧后生成氮氧化物和碳氧化物(含碳组分是PM2.5的主要组成)，露天燃烧时，秸秆碳氧化物排放因子最高可到34.3 g/kg，氮氧化物排放因子最高可到1.42 g/kg(唐喜斌等，2014)，这些污染物直接导致雾霾天气并造成人中毒和呼吸道感染，甚至肺癌(邱榕和范维澄，2001a，2001b；陈仁杰和阚海东，2013)。秸秆焚烧还会产生二噁英类物质，二噁英类物质是公认的剧毒物质和致癌物质(Changetal., 2014)。

1.2 有机废弃物污染的生物治理

生物处理主要涉及微生物、蚯蚓及昆虫等。利用微生物处理有机废弃物，不仅可以获得有机肥料，由于微生物大量繁殖，还可制备微生物菌体生物蛋白。餐厨垃圾和米糠以5 ∶1的比例混合堆肥时达到最佳效果，20 d即可完全腐熟(王晓君等，2016);玉米秸秆在最佳温湿度条件下33 d就可完成腐熟(王瑶等，2013)。餐厨垃圾在酿酒酵母、枯草芽孢杆菌和黑曲霉的共同作用下，48 h的发酵产物蛋白含量提高58.7%，粗纤维含量降低58.2%，必需氨基酸增加95.9%(蔡静等，2015)；稻草经霉菌与酵母多菌种混合发酵84 h后，产生21.51%粗蛋白，纤维素和半纤维素含量分别降低42.31%和31.45%。利用微生物转化有机废弃物还可生产能源物质，如氢、沼气、乙醇等(宋玉，2011；刘爱民等，2013；孙保剑等，2014；杨贵运等，2015；朱洪艳等，2015)。

蚯蚓可将废弃物中的有机物变成腐殖质而用于堆肥。经蚯蚓处理过的城市有机垃圾，质量减少69.8%，生物降解率为75.0%(冯磊等，2006)，处理后的堆肥中，速效氮、速效磷和速效钾含量指标均变高，有机质含量下降(王惠敏等，2011)。蚯蚓堆肥是一种很高效的有机肥料，对植物的长势和产量均有积极作用(曹瑞琪，2013；李继蕊等，2013)。生产的蚯蚓可作为药材、饵料、饲料资源用(王德凤等，2014；郭立忠，2015；钟杰等，2016)。

部分昆虫可以高效率转化有机废弃物，尸食性昆虫如埋葬甲、皮蠹等，腐食性昆虫如蜣螂、黑水虻和蝇蛆，这些昆虫喜食自然界中的动物尸体、畜禽粪便和腐败植物组织。与其他生物种类相比，昆虫生长繁殖快，对废弃物的转化率高，因此适合用来处理有机废弃物。

2 利用昆虫转化有机废弃物的现状

目前研究和利用较为成熟的包括家蝇Muscadomestica，大头金蝇Chrysomyiamegacephala，黑水虻HermetiaillucensL，白星花金龟ProtaetiabrevitarsisLewis，黄粉虫Tenebriomolitor等。

家蝇在已经开始应用的三千余种昆虫中，具有世代历期短、繁殖指数高、便于人为控制、适于工厂化生产等优点，属于可更新资源。蝇蛆蛋白质含量为59.39%，必需氨基酸含量占总氨基酸含量的44.09%；不饱和脂肪酸占脂肪酸总量的64.5%，VB1含量为19.5 mg/100 g、VB2含量为282.27 mg/100 g(雷朝亮，2015)，还含有17种微量元素和多种生物活性物质，特别是对高等动物及人体生命活动具有重要功能的微量元素(锌4.40 mg/kg、钙31.12 mg/kg、硒0.18 mg/kg、锗0.005 mg/kg)含量极高(王达瑞等，1991)。利用家蝇分解农副产品下脚料、转化畜禽粪便和有机废弃物，再生高蛋白质产品，具有重大的开发利用潜力。家蝇的幼虫即蝇蛆处理猪粪可使猪粪干物质量减少31.14%，总重减少53.04%(白林等，2007)。蝇蛆处理猪粪和鸡粪只需用5 d，每1 kg蝇蛆在成蛹前，能转化10-12 kg猪粪或4-6 kg鸡粪，处理结束时猪粪和鸡粪的重量分别减少约43.81%和26.89%。猪粪和鸡粪经蝇蛆处理后，粪肥含水量降低，质地蓬松，颗粒细小。处理后的粪肥与处理前相比，猪粪的全氮和全磷含量分别下降35.76%和10.22%，鸡粪的全氮和全磷含量分别下降60%和16.4%(龙坤，2014)。

赵福等(2006)测定的大头金蝇幼虫蛋白质含量为63.72%，蛹则高达76.81%。陈黎(2012)用猪粪饲养大头金蝇，从卵发育到蛹需要约9 d。大头金蝇幼虫能很好地处理厨余垃圾，包括其中难处理的油脂。胡新军(2012)的研究表明，用幼虫处理1 t餐厨垃圾转化料，减量化效果100%，油脂减量约46%，得到0.29 t有机肥和老熟幼虫118.7 kg，粗蛋白和粗油脂含量约占幼虫干重的50%和25%-30%。

黑水虻成虫寿命短、幼虫历期长，转化有机废弃物效果显著，还会灭活大肠杆菌和沙门氏菌(Erickson, 2004)。周芬(2009)的试验表明，经武汉品系的黑水虻幼虫处理过的猪粪、鸡粪、牛粪干重分别减少53.4%、61.7%、57.8%，3种粪便每100 g(干重)分别可产生幼虫16.90 g、12.50 g、10.96 g(干重)。杨森(2010)的研究中猪粪经黑水虻处理后减重51.0%，得到的虫体干重最高可占转化前粪便干重的15%，而Newton等(2005)的研究结果为56%。餐厨垃圾经黑水虻处理，其减重率可高达到70%左右，转化率最高达到约40%(刘学林，2011)。将黑水虻用6种培养基质养殖，分别为家禽饲料、猪肝、粪便、厨余垃圾、瓜果蔬菜肥料和鱼弃物，在实验条件下，处理厨余垃圾的黑水虻长势最好，增重和生长优于其他组，处理猪粪的黑水虻增重和生长要慢(Nguyenetal., 2013, 2015)。

白星花金龟转化后的有机废弃物干燥无异味，怄制腐熟快，最主要的优点是白星花金龟粪便呈颗粒状，免除了后续的成型步骤。幼虫对秸秆有很强的转化力，秸秆发酵25 d后，白星花金龟对其的转化率高达63.82%±30.90%，利用率达到17.51%±8.5%(杨诚等，2015)。在刘玉升和张大鹏(2015)的研究中，18.75 kg的发酵玉米秸秆可生产1.00 kg的白星花金龟幼虫。

利用黄粉虫处理牛粪3 d，能达到100%的转化率(宋志刚等，2001)；黄粉虫饲料中添加55%酵化鸡粪时增重效果显著(熊晓莉等，2013)。黄粉虫也可以处理厨余垃圾，在最适条件下，黄粉虫对厨余垃圾的利用率为38.88%，此时饲料含14.5%水分，厨余垃圾中营养全面且丰富，所以能够保证黄粉虫生长发育不受营养成分的制约(陈美玲等，2015)。用西瓜皮、香蕉皮等这些废弃物作为黄粉虫饲料添加物时，养殖效果要优于麦麸加面粉对照，且以50%添加时增重最明显，发育最快(卓少明和刘聪，2009)。

3 利用昆虫转化有机废弃物的瓶颈问题及发展策略

有机废弃物的特性，限制了其利用昆虫转化的规模化程度。首先，畜禽粪便、秸秆、餐厨垃圾都存在分布零散且产量不稳定的缺点。例如，2012年江西省养殖规模≥10000头的养猪场只有258个，3万头以下规模的占60%(范敏等，2013)。有机废弃物的规模化处理需要使其聚集，而聚集的过程会增加处理成本，加重生产主体的经济负担，并且，畜禽粪便在运输过程中也容易产生二次污染。第二，部分民众的垃圾分类意识薄弱，垃圾分类程度底。有机废弃物汇集之后需初步分拣与均质化，如餐厨垃圾中常混有垃圾袋、玻璃瓶等杂物，高含水量废弃物的初步沥水，都会使成本增加。第三，我国关于利用昆虫处理有机废弃物的法律还不够健全。比如在餐厨垃圾处理问题上，至今都没有一部全国性的、系统的法律法规，只是在《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、《城市市容和环境卫生处理条例》、《城市市容和环境卫生处理条例》中有所提及或限于一些地方性法律中，关于利用昆虫处理有机废弃物的法律更是鲜有。第四，传统不良处理方式仍较盛行。有机废弃物生产主体自律意识薄弱，无视规定或钻法律空子，而且监管较困难，表现为监管部门及其责任不明确。秸秆焚烧屡禁不止，泔水直接作为饲料的现象仍较普遍，用于炼制地沟油、加工黑猪血的报道也屡见不鲜。第五，其它新兴技术的应用替代传统处理方式。随着机械化水平的提高，作物秸秆可在收获的同时或收获后经过粉碎直接还田，但这会增加种植户的种植成本，也会加重农民负担。

昆虫人工大规模扩繁技术仍较欠缺，导致可利用昆虫种类不多。在已知的100万种昆虫中腐生性种类约占17.3%，如双翅目的蝇类、虻类和蚊类，鞘翅目的金龟甲科、埋葬甲科和隐翅甲科，等翅目的白蚁等。双翅目的昆虫处理有机废弃物有多种优势，但目前仍有不足，主要的困难在大规模生产的技术问题，例如如何诱导成虫产卵(Cˇ icˇ kováetal., 2015)。家蝇的成虫容易从饲养空间中逃出，应加强防逃研究；大头金蝇成虫需要足量的补充营养才能繁殖后代(李胜振，2016)；黑水虻成虫常需要在阳光下才能交配繁殖后代(Zhangetal., 2010)；淤泥、沼渣等尚缺乏高效处理的生物材料，这些都是利用昆虫转化有机废弃物发展亟待解决的瓶颈问题。

有机废弃物本身携带多种污染物，但我国目前对其污染风险评估薄弱(刘蕊等，2014)。有机废弃物中可能含有真菌、细菌、病毒、兽药、农药、重金属等，这些污染物进入昆虫体内如果不能被分解或完全排出，会随着虫体进入下一个能量级，但有机废弃物的检测及利用的风险评估环节仍较薄弱，有机废弃物能否被昆虫直接利用、生产的昆虫及昆虫产品是否安全的评价体系不太完善。因此加强评价方法、快速检测方法的研究，以及加强源头管理成为待解决的问题。

高附加值产品研发还需加强。昆虫体内含有多种活性物质，可作为保健品或药品原料，如抗菌肽、壳聚糖、斑蝥素等。昆虫体内脂肪的含量一般不低于干重的10%，有的可以达到77.16%，脂肪酸组成合理，其中60%左右为不饱和脂肪酸，有的甚至占80%。昆虫产品如蛋白产品、食用油脂、生物燃油等，还有很大开发空间，加强昆虫高附加值产品的研发将使昆虫发挥更高的价值。

基于昆虫转化有机废弃物建立循环经济产业链是该领域未来的重要发展方向。有机废弃物无害化处理越来越受到人们关注。昆虫处理产生污染小，而且处理快速、彻底，处理的整个过程中的产物都是宝。废弃物养昆虫，昆虫及昆虫产品食用或饲用，昆虫处理后的剩料作有机肥，产生的废弃物又可以饲养昆虫，可形成循环经济产业链，这将是未来昆虫处理有机废弃物的重要发展方向。

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Status and prospects of the transformation of organic wastes by insects in China

LI Kui1, YANG Qi-Zhi2, LEI Chao-Liang1, ZHU Fen1 *

(1. Hubei International Scientific and Technological Cooperation Base of Waste Conversion by Insects, College of Plant Science and Technology， Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. School of Agricultural Equipment Engineering, Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China)

Livestock manure, kitchen waste, straw and other organic waste emissions over the environmental capacity, could cause ecological pollution, and subsequently affects the human life. Organic waste conversion by insects can realize mass reduction and harvest insects and bio-fertilizer, which will be a promising method for environmental pollution management. Here, the pollution and present controlling methods of organic waste and the progress of organic waste treatment with insects were reviewed, and the bottleneck issues and future fields of the transformation of organic wastes were discussed.

Organic waste; insect transformation; livestock manure; kitchen waste

国家自然科学基金(51675239)；欧盟第七框架协议项目(034082)；中央高校基本科研专项资金(2014PY059)

李逵，男，1991年生，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为昆虫多样性与资源利用，E-mail: kui_555@126.com

*通讯作者Author for correspondence, E-mail: zhufen@mail.hzau.edu.cn

Received: 2016-10-18; 接受日期Accepted: 2017-02-24

Q968

A

1674-0858(2017)02-0453-07

李逵，杨启志，雷朝亮,等.我国利用昆虫转化有机废弃物的发展现状及前景[J].环境昆虫学报，2017,39(2):453-459.