黑水虻对有害物质的降解作用研究进展

2019-02-12 22:41梅瀚杰胡文锋
饲料工业 2019年20期
关键词:黑水昆虫幼虫

■梅瀚杰 胡文锋

(华南农业大学食品学院,广东广州510642)

黑水虻(Hermetia illucens L.)是一种双翅目水虻科的昆虫,在热带和亚热带一些全年温暖的地区均有发现[1],其拥有丰富蛋白质和适当的脂肪和微量元素,是联合国粮农组织推荐的饲用昆虫,被认为是优良的人畜蛋白来源[2],其中预蛹期干物质含32%蛋白质、37%脂肪、19%矿物质、9%的几丁质[3],成虫期粗蛋白可高达57.6%,还有21.6%的脂肪[4]。鉴于昆虫相较于猪和牛有更高的饲料转化能力[5],甚至在一些案例中高于某些家禽[6],同时他们相比于传统牲畜排放的温室气体和氨气更少[6-7]。除此以外,作为腐生性昆虫,黑水虻被大量用于有机废弃物的处理,近年来利用黑水虻对餐厨垃圾和人畜粪便等垃圾进行高效转化资源的报道也越来越多[8-18]。在一些中低收入国家,对垃圾的错误处理严重影响了生活环境和民众健康[19],而落后的垃圾管理浪费了很多有价值的能量和营养成分[20-21]。

随着经济的发展,抗生素、重金属残留问题日益突出,造成了严重的环境污染[22-26],同时有机废弃物中致病菌的处理也是一个棘手问题。虽然目前已经有大量针对环境中重金属和抗生素等有害物质的相关去除研究,但通过生物,特别是昆虫,对环境中的有害物质去除的研究相对较少。

本文总结了国内外相关研究,对黑水虻等昆虫处理有机废弃物时重金属、抗生素、细菌含量的变化及机理进行回顾和归纳。

1 重金属

1.1 重金属相关研究

Charlton等在研究昆虫作为动物蛋白饲料的可行性,通过对加纳地区生产的黑水虻进行重金属含量分析,发现黑水虻对重金属镉存在一定的生物积累[27]。Diener等在相关研究基础上,研究不同浓度下铅(0、5.0、25.0、125.0 μg/g)和镉(0、2.0、10.0、50.0 μg/g)对黑水虻的影响,铅在黑水虻幼虫体内的残留浓度均低于饲料中的起始浓度,在预蛹期镉仍然在虫体内大量残留BAF为2.32~2.94(bioaccumulation factor,BAF=虫体内重金属浓度/饲料中重金属浓度),到达成虫后虫体内铅和镉浓度下降,BAF 降至0.12~0.21[28]。Fels 等在研究不同浓度铅(2.50、5.00、10.00 mg/kg)和镉(0.25、0.50、1.00 mg/kg)饲养下黑水虻幼虫体内的积累情况时,黑水虻幼虫能有效减少饲料中铅和镉的浓度,富集指数BAF各浓度下最大的是镉(9.5~6.9),而之后是铅(1.2~1.4),并且幼虫体内的镉含量高于饲料中的含量,铅的虫体内含量却与饲料相当,推测其可能与虫体内某些成分进行了有机结合[29]。Biancarosa 等利用岩衣藻(Ascophyllum nodosum)天然富集汞、铅、镉等重金属的属性,以其为饲料饲养黑水虻,检测虫体内各重金属的含量,发现黑水虻可以大量富集岩衣藻中的镉[积累值最高为(93±5)%,累积值=虫体内重金属浓度/饲料中重金属浓度×100%],对铅(累积值最高为23%)和汞(累积值最高为37%)的富集作用比较弱。但由于与前者不同,Biancarosa使用的是岩衣藻富集后的重金属离子测定黑水虻对重金属的富集作用,较之前者认为添加的离子溶液混合饲料不同,在虫体吸收上可能存在一定的区别,可能会存在某些物质促进或者抑制虫体对重金属元素的吸收[30]。Cai 等利用黑水虻处理城市污泥中的重金属残留,发现黑水虻对铅[最高(416.6±7.9) mg/kg]、镉[最高(2.2±0.1) mg/kg]、汞[最高(2.6±0.2) mg/kg]、铬[最高(396.1±7.2) mg/kg]和铜[(632.6±12.2) mg/kg]等重金属有较高的耐受能力,黑水虻能有效将污泥中的重金属富集,且幼虫提取油中含量极低,具备将处理完污泥的幼虫油回收于工业利用的可能[31]。Gao等通过用不同浓度镉(20、40、80 mg/kg)和铬(100、200、300 mg/kg)饲料喂养黑水虻,研究两种重金属在黑水虻不同时期的分布,镉在幼虫(BAF=4.635)、预蛹期(BAF=4.198)在虫体内的浓度均高于饲料中的镉浓度,在虫蛹期(BAF=0.507)的浓度下降,而铬却正好相反,但在成虫期后两者的浓度均有一定程度的下降;在幼虫和预蛹期镉和铬主要分布于虫体内而非外骨骼,但在虫蛹期,在蛹壳的镉和铬浓度均高于虫体内,且两者的浓度会随着黑水虻的成长而降低;计算在理想情况下,400条黑水虻幼虫可在12 d内完全去除1 kg镉含量4.5 mg/kg的干料[32]。Purschke等研究铬、镉、汞和铅对黑水虻发育的影响,发现该几种重金属影响黑水虻生长,镉和铅在虫体内积累较多,而其他重金属虫体内浓度均低于原饲料中浓度[33]。同时也有报道称黑水虻在预蛹期体内会积累大量的带磁性锰离子,可能与其体内黑色素合成有一定联系[34]。

1.2 降解机制

对于镉在虫体有较高的积累的情况,其实广泛存在许多双翅目昆虫当中[28,35-39]。而像果蝇、蚊子这种双翅目的昆虫对镉的摄入会提高体内金属硫蛋白的水平,金属硫蛋白会与铅结合造成体内铅的积累,同时对大多数的双翅目昆虫来说,这种蛋白是不会排出体外的[36,39]。还有报道称黑水虻幼虫的钙含量高于许多双翅目昆虫,可能由于镉与钙拥有相似的离子半径可以被热休克蛋白通过钙离子通道进行运输[40-41],因此它们对镉有更强的累积效果[42]。Braeckman 等在双翅目白纹伊蚊中发现HSP70蛋白家族中的一种蛋白,由体内镉浓度的提升所触发产生,其作用主要是保护体内其他蛋白免受隔的影响而变性[41],这也许与黑水虻在高浓度镉的影响下仍能存活有一定关系。Diener等研究发现黑水虻外骨骼中铅含量高于虫体内铅含量,推测铅被代谢到外骨骼中进行隔离[28]。其实在昆虫中也不乏这样的例子:在喂食含铅的饲料后,穴居蜉蝣的体外躯壳中含有大部分的铅,而肠道中的铅只有很少[43];在绿纹蝗属翅膀中铅含量是肠道内的四倍[44]。

黑水虻对铅的代谢机制的研究仍处在探索阶段,具体的机制仍未明确,但可以肯定的是黑水虻存在一套可以将肠道中的铅以某种代谢方式排到外骨骼的机制,再通过蜕皮行为排出体外,而且过程中可能伴随着铅单质和离子间形态的转变。在考虑黑水虻自身对重金属的抵抗机制外,虫体肠道菌群是否具有对重金属离子吸附富集的作用,在该方面仍处于空白,但在其他方面关于细菌对重金属的吸附的研究已经颇为丰富。若能将两者结合一起,将能够吸附富集重金属离子的细菌移植进入黑水虻体内,是否有助于提高在高浓度重金属下的黑水虻存活率与改善其发育情况,同时提高整体黑水虻对重金属的富集与吸收。

2 抗生素

2.1 抗生素相关研究

Cai等研究了黑水虻对四环素的降解作用和降解产物,发现黑水虻肠道微生物是黑水虻降解四环素的关键因素,且肠道细菌可以把四环素降解速度加快一倍,肠道细菌的组成会随四环素在饲料中的加入发生相应变化,且过程中四环素相关抗性基因表达量有明显的上升[45]。Alyokhin 等在研究莫西菌素(moxidectin)对黑水虻发育的影响中,发现莫西菌素对黑水虻的生长有负面影响,在常用浓度莫西菌素下仍有30%的幼虫能发育至成虫[46]。黑水虻在抗生素降解领域的作用仍未被完全发掘,其自身对不同抗生素的药敏性还有许多空白部分,在日常垃圾处理中的抗生素种类繁多且成分复杂,了解黑水虻对待不同抗生素的降解效果对日后其废物处理的运用极为关键。在研究过程中黑水虻肠道微生物也应作为一个不可忽视的重要因素,深入对其进行研究。虽然有报道称黑水虻肠道微生物有助于减少抗生素抗性基因[47],但黑水虻肠道菌种中的抗生素抗性基因在黑水虻用作废物处理过程中是否可能会通过某些途径进入到自然环境中,增加细菌的耐药性等问题仍需要更多深入的研究。

2.2 降解机制

在抗生素降解方面,相关的研究已经非常繁多,但在黑水虻相关的降解机制上仍处于一片空白。目前能够参考的文献中,研究结果均表明:黑水虻降解抗生素的机制大部分归功于其复杂的肠道菌群。有报道称昆虫幼虫肠道由于围食膜保护肠上皮细胞的原因对四环素几乎不吸收[48]。昆虫在四环素的降解上主要以肠道微生物、消化酶和免疫系统三者共同作用为主导[49-50]。

Zhang等利用双翅目的家蝇降解猪粪堆肥当中的抗生素残留,通过焦磷酸测序发现降解抗生素的主要为拟杆菌门、厚壁菌门和变形杆菌门[51]。在Prado等的研究中发现生物降解四环素的过程中降解前期存在一段延滞期,期间对四环素的降解效率几乎为零[52]。由于四环素会影响细菌的30S核糖体亚基,延滞期原因可能是部分四环素对微生物生长的抑制作用[53]。Cai等研究结果表明,肠道分离出来的细菌在LB肉汤培养基中能快速降解四环素,但菌液和无菌黑水虻饲料混合喂食后,四环素降解率与单独无菌黑水虻四环素降解率相当[45],其中可能是因为细菌与黑水虻存在某种机制不明的颉颃作用[54]。

在黑水虻肠道菌群上由于其菌种构成的复杂性,研究难度大,但随着基因测序技术的日渐成熟的,在其肠道微生物群体研究上也不断深入。徐键研究发现其黑水虻肠道微生物构成与其饲料灭菌与否有直接关联,且以摩根氏菌属(Morganella spp.)和肠球菌属(Trabulsiella spp.)为主[55]。Zheng 等对黑水虻发育全阶段肠道菌群的变化做了详细的研究,在黑水虻生命周期内肠道内主要以厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroides)为主,但在不同阶段其占比各有不同,同时在成虫时期疣微菌门(Verrucomicrobia)占比突然增大,而虫卵期酸杆菌门(Acidobacteria)也有相当的占比[56]。Cai等也发现四环素在饲料中的存在一定程度上会影响黑水虻肠道菌群的变化,并向着更耐四环素的方向进行改变:表现为拟杆菌属的占比大幅提升和厚壁菌门变形菌门的减少,归咎于四环素在幼虫肠道中起到一个环境压力的选择作用[45]。江承亮在研究黑水虻降解餐厨垃圾时发现,黑水虻幼虫肠道菌可通过入侵堆肥体生态位,对堆体菌群产生影响,堆体菌群可以同样的方式影响肠道菌群,证明黑水虻肠道菌群是处于一个动态的变化中,并会受到环境因素所影响[57]。由此也可再次说明黑水虻肠道微生物中的抗性基因极有可能会进入到环境,造成严重的抗性基因传播的问题,但若能把握好度,也存在通过将固定降解某种抗生素的多种菌投入到饲料中改变黑水虻肠道中的菌种构成,增加黑水虻对该种抗生素的耐性与降解作用,更好投入到未来废物处理的利用中去。

3 抗菌活性物质

除了在重金属和抗生素的去除上发挥作用,黑水虻还能有效降低废物当中的致病菌的数量。Liu等研究发现通过黑水虻处理粪便能有效降低(数量级约为106CFU)其中大肠杆菌数量,并且最佳温度为27 ℃,温度是影响黑水虻降低粪便中大肠杆菌数量的重要因素[58]。Lalander等研究发现黑水虻处理后能有效降低废物中的沙门氏菌(Salmonella spp.)和病毒фX174[59]。Erickson等研究发现黑水虻处理鸡粪可以降低鸡粪当中的大肠杆菌O157(Escherichia coliO157:H7)和沙门氏菌[60]。

在黑水虻降低废物中的细菌数量的背后,必定有其相关的抑菌物质的产生与分泌,而黑水虻的抗菌物质首先由Choi等通过用酒精提取黑水虻幼虫发现,并发现其对克雷白氏肺炎杆菌(Klebsiella pneumoniae)、淋病奈瑟球菌(Neisseria gonorrhoeae)和宋氏志贺氏菌(Shigella sonnei)具有较强的抑制作用[61]。Park等也发现黑水虻的提取液对数种植物病原菌都有抑制作用,包括大蒜春腐病(Pseudomonas marginalis pv. marginalis)、番茄疮痂病辣椒斑点病(Xanthomonas campestris pv. vesicatoria)、蔬菜的绿黄假单胞菌(Pseudomonas viridiflava)、烟草假单胞杆菌(Pseudomonas syringae pv. tabaci)、茄科劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)和地毯黄单胞菌大豆致病变种(Xanthomonas axonopodis pv. glycines)。还有报道称黑水虻的提取物可以提高肉仔鸡免疫力且提高仔鸡对沙门氏菌的抵抗力[62]。Vogel等在研究不同饲料搭配下黑水虻抗菌肽分泌的影响,发现不同的饲料构成主要通过影响体内免疫系统造成抗菌肽相关基因表达量的差异,在不同溶剂萃取下,对大肠杆菌(Escherichia coli)、藤黄微球菌(Micrococcus luteus)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)四种指示剂均表现出不同的抗菌性能,并推测抗菌肽基因的表达可能与饲料中的微生物构成和体内核心构成微生物相关[63]。Barabas等证明了外源接种细菌同样可以触发黑水虻自身的免疫响应,表现为提高对大肠杆菌与藤黄微球菌生长的抑制力[64]。Park等利用酸性酒精对黑水虻抗菌物质进行提取研究其对数种细菌和真菌的抑制之作用,包括大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)、绿脓杆菌(seudomonas aeruginosa)、甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus)、嗜根库克菌(Kocuria rhizophila)、藤黄微球菌、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和白念珠菌(Candida albicans),并且成功利用高效液相色谱对抗金黄色葡萄酒菌的物质进行进一步纯化,纯化后抑制效果更显著,推测提取液中存在不止一种抗菌物质,并且认为该提取液存在广谱抗菌性[65]。Park等在此前研究的基础上通过利用固相萃取和反向色谱并用的方法对黑水虻的抗菌物质进行纯化和鉴定,鉴定为4 267 Da的肽分子,利用基质辅助激光离子化飞行时间型质谱仪(atrix- assisted laser desorption/ionization- time- offligh Mass Spectrometry,MALDI-TOF-MS)对其氨基酸序列进行了测定,序列为ATCDLLSPFKVGHAACAAHCIARGKRGGWCDKRAVCNCRK,并成功在黑水虻基因找到对应的序列,并通过RT-PCR检测了在黑水虻免疫前后该序列的表达量差异;该肽对基金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌有较强的抑制作用,但却对革兰氏阴性菌几乎没有抑制作用,而粗提取液则对两者均有抑制作用,推测提取物中的抗菌物质不止一种[66]。

从目前已有资料来看,该种抑菌成分均大部分为肽链,且不同的肽对革兰氏阴性菌与阳性菌的针对性各不相同,但对其抑制均表现出极强的作用,而且抗菌肽的另外一个好处是不易造成细菌的耐药性,有望成为未来替代抗生素的一个重要分子;肽分子同时不需要进行复杂的空间折叠发挥其作用,有望在其他真菌上进行异源表达大规模产生该类肽分子。但上述研究当中许多都是用有机溶剂直接从黑水虻幼虫中进行提取,而往往忽略了黑水虻肠道微生物的角色,他们只是发现抗菌物质来源于黑水虻,而没有进行深入研究该种抗菌物质来源于黑水虻自身分泌还是肠道菌群中的某几种菌所分泌,这是一个之后研究中值得深入研究的问题。

4 展望

黑水虻作为一种未来废物处理的一大主角,其除了在废物降解的效率和最适条件上,还有不可忽视的作用,那就是其对废物当中的有害物质的降解。除了重金属、抗生素和致病菌外还有诸如农药和霉菌毒素等多种成分复杂但却不可忽视的有害物质。虽然有报道称黑水虻对几种霉菌毒素和农药存在一定的降解作用[33,67-69]。但目前相关领域仍存在大部分的空白,其背后的降解机制和积累效应仍未被详细解析。这对日后将黑水虻用于动物饲料蛋白来源时是不得不考虑的问题。同时黑水虻的肠道菌群对人类来说就是一个宝库,其中存在着大量的可利用的生物资源等待人类去发掘和利用,包括抗生素、农药和霉菌毒素等物质的降解细菌等。

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