黑水虻资源化利用研究

■于怀龙 黄小燕

（上海优久生物科技有限公司，上海201615）

黑水虻（Hermetia illucens L.），学名亮斑扁角水虻，为昆虫纲水虻科昆虫[1]，陆生，营腐食性生活，原分布于南美洲热带草原，后传入美国、阿根廷等地区，目前主要分布在全球热带、亚热带和温带的大部分地区[2]。在我国，黑水虻在华北、华南以及东南沿海地区均有分布[1,3]。黑水虻具有营养富集作用，能降解餐厨垃圾以及动物粪便，并富集其中的有益营养成分，转化为高附加值的水虻虫体蛋白，具有广阔的应用前景。目前，中国、美国、日本等国家和地区已经对黑水虻展开了研究与探索，主要集中在畜禽粪便无公害处理、利用黑水虻幼虫提取活性成分以及黑水虻产品开发利用等方面。本文对黑水虻的生物学特性及其开发应用等方面展开简要概述，为黑水虻的资源化利用提供理论依据。

1 黑水虻的生物学特性

黑水虻的生长周期历经卵期、幼虫期、蛹期和成虫期，整个生长周期35 d左右[4]。黑水虻的卵呈长椭圆形，外观光洁，颜色为乳白色，以卵块形式聚产，卵孵化时间受季节、地区和温度影响，一般为4～14 d，适宜孵化温度25～33℃，适宜孵化湿度60%～80%。黑水虻幼虫期15 d左右，适宜生长温度为25～30℃，幼虫期根据蜕皮次数分为六个龄期，低龄幼虫为白色，随着龄期增加幼虫颜色变深，一龄幼虫基本不取食，二龄幼虫开始大量取食，六龄期幼虫称为预蛹，呈黄黑色、表皮结实而有韧性，预蛹不再取食，离开食物，寻找干燥温暖的空隙准备化蛹[5]。黑水虻幼虫取食特别广泛，能消化除骨骼与几丁质外的几乎所有固体有机废弃物，可用于畜禽粪便、餐厨垃圾、食品加工下脚料的处理。黑水虻在幼虫表皮蜕内度过蛹期，在此期间黑水虻适宜生长温度为25～28℃。黑水虻成虫比较大，体长15 mm左右，具有黑色的头部，眼周围有微黄色小点，头顶较宽，活成虫的翅膀具有蓝色金属光泽，死后呈微暗色[4]，成虫适宜生长及繁殖温度应不低于26℃。

2 黑水虻在畜禽粪便处理中的应用

目前，畜禽养殖场每天会产生大量的畜禽粪便，单以养猪排粪测算的数据为例，每天猪粪排放量达82.3万吨，畜牧业产生的污染占整个污染的14.3%[6]，对环境造成很大的压力。现在，国家对环保的管控力度正在加强，大批污染较大的养殖场倒闭或整改，因此合理有效地处理畜禽产生的大量粪便具有重要意义。畜禽粪便中含有大量的如蛋白、脂肪等营养成分，其含量与口粮成正相关[7]。黑水虻在畜禽粪便处理方面具有巨大的优势。一方面，黑水虻幼虫营腐食性，繁殖能力和适应能力较强，生活周期较短，同时预蛹化蛹前具有迁徙特性，有利于黑水虻幼虫分离。另一方面，黑水虻不携带病菌，同时也不进入人类的住所，对人类居住及生存环境完全安全无害[8]。因此，利用黑水虻集约化处理畜禽粪便，降解粪便中的有机物，可减少粪便堆积带来的各种污染问题。

2.1 降低畜禽粪便造成的环境污染

黑水虻对畜禽粪便具有较高的降解率，不仅可明显降低畜禽粪便的堆积和污染，而且可在一定程度上消除畜禽粪便产生的臭味。通过黑水虻幼虫取食，两周内可使畜禽粪便堆积减少56%[9]，处理后的畜禽粪便所含的各种营养元素均得到不同程度的降低，Byrd等研究发现，利用黑水虻处理猪粪，猪粪中的氮、磷和钾含量分别降低了55.1%、44.1%和52.8%[10]。经黑水虻幼虫处理后的畜禽粪便的臭味也会大部分得到消除，极大地降低粪便对空气、水质以及土壤造成的污染。

2.2 驱避家蝇

黑水虻可以对家蝇的滋生产生抑制作用。Sheppard推测黑水虻幼虫可能会产生驱避家蝇的物质，研究发现，家蝇幼虫不适合在经黑水虻幼虫取食过的粪便中生长，黑水虻幼虫生活的粪便中也不利于家蝇成虫产卵，经黑水虻处理后鸡粪对家蝇具有100%的控制率，对小家蝇具有99.9%的控制率[11]。因此利用黑水虻处理畜禽粪便，有利于解决畜禽养殖过程中家蝇滋生的问题。

2.3 抑制畜禽粪便中有害微生物活动

通过黑水虻取食畜禽粪便，有利于抑制畜禽粪便中一些有害微生物的活动。研究表明，经黑水虻幼虫取食过得鸡粪，其大肠杆菌和沙门氏肠杆菌数量降低了至少2 000倍[12]。另外，黑水虻幼虫能够对奶牛粪便中的大肠杆菌O157∶H7产生有效的抑制作用[13]。因此，利用黑水虻幼虫处理畜禽粪便，可降低畜禽粪便中的有害微生物数量，进而减少对环境的损害。

3 黑水虻开发利用研究

3.1 黑水虻饲料利用研究

3.1.1 黑水虻幼虫饲料营养价值

黑水虻幼虫含有丰富的蛋白质，其粗蛋白质含量与植物性蛋白原料(如葵籽饼、豆粕等)相近，但低于鱼粉。粗脂肪和粗纤维含量较高，显著高于鱼粉和豆粕，而灰分含量高于豆粕但低于鱼粉。黑水虻幼虫含有丰富的必需氨基酸，其中亮氨酸、缬氨酸和赖氨酸含量较高，可以作为饲料的优质蛋白原料。林启训等对黑水虻幼虫氨基酸组成进行研究，结果表明必需氨基酸含量高于WHO/FAO规定的标准，占总氨基酸含量的比值高达51.07%[14]。黑水虻幼虫中脂肪酸也较为丰富，研究发现，取食餐厨垃圾的黑水虻幼虫粉中不饱和脂肪酸含量在总脂肪中的占比为60.85%，而必需脂肪酸含量为总脂肪的23.72%，特别含有较高比例的油酸和亚油酸，分别为30.7%和21.3%。取食鸡粪的黑水虻幼虫粉中不饱和脂肪酸占总脂肪的34.61%，必需脂肪酸占总脂肪的8.2%。黑水虻幼虫粉还含有丰富的微量元素，其中Fe、Mg、Zn、Cu、Mn含量显著高于鱼粉和豆粕。Newton等研究了黑水虻幼虫的营养组成，其干重为42%～43%，灰分含量为11%～15%，黑水虻幼虫粉含有42%～44%的蛋白质，31%～35%的脂肪，4.8%～5.1%的钙，0.60%～0.63%的磷[9]。

3.1.2 黑水虻幼虫饲料化应用

黑水虻幼虫含有丰富的营养成分，特别适合添加到动物饲料中。Marco等在肉鸡的基础日粮中添加25%的黑水虻幼虫干粉，发现其粗蛋白质、粗脂肪和17种氨基酸水平均高于未添加黑水虻幼虫干粉的饲料，经饲喂后，肉鸡的消化率和回肠表观消化率也均高于未添加黑水虻幼虫干粉的饲料[15]。Hale探究了鸡饲料配方中的豆粕粉是否可由黑水虻幼虫粉代替，研究表明畜禽粪便饲养的黑水虻幼虫粉适合添加到鸡饲料中[16]。Newton等将牛粪饲养过的黑水虻幼虫粉添加到猪饲料中，研究表明黑水虻幼虫干粉含有较高含量的氨基酸、粗脂肪和钙，特别适合作为猪饲料生产的添加剂[9]。

黑水虻幼虫在水产饲料方面也有较多的应用研究。胡俊茹等采用等氮等脂方法，将黑水虻幼虫粉按照不同的比例替代黄颡鱼幼鱼日粮中的鱼粉，结果发现：当替代量小于30%时，黄颡鱼幼鱼增重量与对照组无显著差异，而且血清中谷丙转氨酶、谷草转氨酶、尿素和三酰甘油的含量均得到一定程度的降低。林启训等为了代替鱼粉，将黑水虻幼虫粉用于泥鳅饲料中，研究发现，当添加9%～11%的黑水虻幼虫粉，泥鳅的摄食状态和成活率与对照组相近[17]。

不过，黑水虻预蛹中含有一定量的多聚几丁质，由于畜禽不含有几丁质酶，对该物质的消化能力较差，同时该物质也会影响其他营养成分的消化利用[18]。这在一定程度上限制了黑水虻在畜禽饲料中的应用，因此去除预蛹中的几丁质是黑水虻幼虫饲料化应用研究的重要组成部分。当然对于鲤鱼、鳕鱼等含有几丁质酶的动物来说，预蛹中的几丁质不仅对其无害，而且还可以作为一种额外的营养来源。此外黑水虻预蛹中的几丁质还可用于新型壳聚糖的提取，对于医学和食品等领域具有较高的应用价值[19]。

3.2 黑水虻药用价值研究

黑水虻幼虫药用价值潜力较大，经过诱导，黑水虻幼虫会产生溶菌酶、抗菌肽、凝集素等多种免疫成分。研究发现，黑水虻幼虫可在体内消化疟疾、霍乱等多种病原微生物，可以推断黑水虻幼虫体内具有较强的免疫系统，进而推断黑水虻幼虫是提取抗菌肽的优质原料。目前国内外对抗菌肽展开了大量研究。当黑水虻幼虫受到外界刺激，体内通过免疫反应会产生一类具有抗菌能力的小分子活性肽，称为黑水虻抗菌肽，该抗菌肽分子量小、水溶性好、热稳定性强、无免疫原性、抗菌谱广，不作用于正常的真核细胞，只对原核细胞和发生病变的真核细胞产生作用[20]，应用前景良好。夏嫱等研究发现，用大肠杆菌液针刺浸泡黑水虻幼虫1 min，继续饲养24 h，从其中分离得到的抗菌肽具有抑制大肠杆菌生长的良好效果[21]。从经诱导的黑水虻幼虫中分离得到的抗菌肽不仅具有抑菌作用，而且还有一定的抗病毒、抗肿瘤的作用[22]，同时不会增加致病菌的耐药性。

研究发现，黑水虻幼虫能够分泌己二酸，欧美许多国家利用己二酸较强的广谱抗菌能力，将黑水虻幼虫用于皮肤损伤(如烧伤和创伤愈合等)的临床处理，当己二酸浓度达到120 μg/ml时，可以有效抑制痢疾和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等的生长[2]。Choi等从黑水虻幼虫体内直接提取分离出己二酸，可有效抑制革兰氏阴性菌(如肺炎克雷伯菌、淋病奈瑟菌、宋内志贺菌等)的活性[23]。

此外，黑水虻幼虫体内还发现了大量其它的抗菌物质，例如月桂酸、蛋白酶、P450解毒酶、水解酶等，经免疫反应产生的BF64抗菌蛋白和BD2抗菌蛋白，具有特别强的抗菌能力，是青霉素的几百倍。黑水虻幼虫体内丰富的抗菌物质，使其在医药领域具有广阔的应用前景，可以开发制备更多具有抗菌、保健的医药产品。

3.3 黑水虻幼虫提取生物柴油研究

黑水虻幼虫体内含有大量的脂肪，可以用于生物柴油的提炼和制取。林启训等采用超临界流体萃取技术成功提取了黑水虻幼虫中油脂成分，该油脂的柴油特征值各指标基本达到了国家标准[24]。因此，黑水虻幼虫是一种生产生物柴油的新型优质原料。Zheng等研究了黑水虻幼虫与微生物协同作用于水稻秸秆和餐厨垃圾，通过一段时间培养，可得到12.28%的黑水虻生物量以及4.38%的生物柴油。餐厨垃圾经其处理后，水分含量降低了10%，黑水虻幼虫虫体粗脂肪含量达到39.2%，由其生产得到的生物柴油中十二烷酸甲酯、油酸甲酯和十六烷酸甲酯的含量比例接近于以动物油脂为原料生产得到的生物柴油比例，但该生物柴油在低温下更有优势，比以油菜籽为原料生产的生物柴油的抗氧化能力更强[25]。

3.4 黑水虻生态循环模式建立

黑水虻幼虫可以将畜禽粪便中的有益营养成分进行富集，转化为自身的营养物质，最后将黑水虻幼虫加工成人类所需的高附加值产品。因此，可以建立如图1所示的生态循环模型。由图1可知，该生态循环模型主要由畜禽养殖系统、黑水虻幼虫处理畜禽粪便系统以及黑水虻幼虫产品加工与利用系统三部分组成。黑水虻幼虫可以作为饲料添加成分，按照一定的配比加工成畜禽所需的饲料产品，然后可以将饲料产品用于畜禽养殖中。通过畜禽养殖，不仅收获大量的蛋制品、肉制品等畜禽产品，而且在此过程中产生的大量粪便又可以作为黑水虻的食物，用于黑水虻幼虫养殖。经黑水虻处理后的畜禽粪便可以加工成优质的有机肥，用于农作物生长。将黑水虻幼虫收集起来，可以进一步加工成人类所需的动物饲料蛋白原料、生物柴油以及抗菌肽等高附加值产品，而动物饲料蛋白原料可以进一步加工成饲料，用于畜禽养殖中。由此形成一个封闭的生态循环系统，有利于资源的合理利用，可以生产出更多高附加值的产品，创造出更大的经济和社会价值。

图1 基于黑水虻的生态循环模式

4 小结与展望

黑水虻具有资源丰富、分布广泛、繁殖速度快、吸收转化率高、虫体活性成分含量高、容易饲养等特点，是一种可资源化利用的水虻科昆虫，具有广阔的应用前景。建立黑水虻禽畜粪便处理系统，可有效降低对养殖场周边生态环境的污染。将黑水虻幼虫加工成动物蛋白饲料、生物柴油、抗菌肽等高附加值的产品，可以产生更大的经济和社会效益。基于黑水虻的生活特性，建立由畜禽养殖系统、黑水虻幼虫处理畜禽粪便系统、黑水虻幼虫产品开发与利用系统三部分组成的生态循环模式，有利于资源的合理化、最大化利用，有利于实现经济、社会、环境效益的统一。

黑水虻规模化利用还需要解决以下几方面的难题，这也是目前研究的主要方向。黑水虻对饲养温度要求较高，成虫交配也需要在光照条件下进行，在向我国中北部地区推广时容易出现成虫越冬困难的问题，因此需要解决对黑水虻进行保温饲养的难题。目前，需要合理的工艺或方法将黑水虻幼虫从畜禽粪便中快速有效分离，这是黑水虻幼虫资源化、规模化利用需要解决的基本问题。在利用黑水虻幼虫制备动物蛋白饲料方面，去除预蛹中的几丁质，是提高黑水虻幼虫作为饲料添加物质量的关键，因此在这方面也需要加强研究。对于利用黑水虻幼虫制备生物柴油、提取抗菌肽等高附加值产品，合理的工艺是其规模化生产的前提，也是目前研究的热点。虽然黑水虻资源化、规模化利用存在着一些难题，但其广阔的应用前景，值得科研人员付出更多的时间和精力对其展开研究。