亮斑扁角水虻幼虫转化蓝藻藻泥和降解藻毒素的研究

汪 冕，霍 岩，肖小朋，蔡珉敏，郑龙玉，王高鸿，李 林，张吉斌*

(1.华中农业大学生命科学技术学院 农业微生物学国家重点实验室 微生物农药国家工程研究中心，湖北 武汉 430070；2.中国科学院水生生物研究所，湖北 武汉 430072)

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.)属双翅目水虻科昆虫[1]，具有生长周期短、繁殖速度快、养殖成本低、食性广泛及营养价值高等优点[2]。因其具有较强的生物转化能力常被用于处理餐厨垃圾[3-4]、畜禽粪便等有机废弃物[5-8]。而有机废弃物如畜禽粪便中存在抗生素、真菌毒素、杀虫剂、重金属等残留问题[9]。研究[10]表明，水虻幼虫对霉菌毒素和杀虫剂表现出较高抗性，霉菌毒素和杀虫剂既没有在幼虫组织中积累，也没有显著影响生长。Cai等[11]研究表明，在适宜条件下，水虻能有效、快速降解四环素，并证明快速降解四环素主要是由幼虫的肠道菌群进行的。 但是重金属污染显著降低了实验后水虻幼虫的质量和水虻转化率，且影响了幼虫的生长[10]。总体来说，水虻幼虫对逆境表现出极强的抗性，这也是本研究工作的基础。

2007年5月，我国太湖梅梁湾地区爆发了大规模藻类水华，由于此次蓝藻爆发污染了自来水厂取水口，导致无锡市出现严重的“水危机”，由此引发了人们对于蓝藻水华的广泛关注[12]。目前资源化利用蓝藻主要有3种方法：一是生产生物新能源。美国开发出了海洋工程微藻，微藻的脂肪含量可以高达60%以上，可用于生产优质生物柴油[13]，但提油后的废物易造成二次污染；二是生产饲料。董桂芳等[14]发现，对处理后的蓝藻进行去毒处理，可以有效去除藻毒素，再应用于鱼类养殖行业中，具有巨大的发展前景，虽然对蓝藻进行脱毒的方法在不断改进，但想要彻底去除藻毒素还需要进一步探究。另外，以脱毒藻类生产的饲料对动物及人类的具体影响还有待进一步探讨；三是制备肥料，分为堆肥和沼肥。研究[15]发现，在堆肥过程中，添加麦麸，将含水量调节至 55%左右，在C/N为 25时，微囊藻毒素降解速率最快，降解率高达 90%以上。但在堆肥过程中也存在一些问题，如大量的氮素会流失，而且堆肥耗时较长，占用空间大，利润少。目前，在水华蓝藻资源化利用方面主要的研究是厌氧沼气发酵，但沼气发酵形成的沼渣和沼液，由于量太大，附近农田难以消化，很容易形成二次污染[12]。总的来说，目前还没有一种成熟的高效绿色资源化利用蓝藻藻泥的方法。

据统计，世界上25%～70%的蓝藻水华污染可产生藻毒素[16]，藻毒素具有肝毒性、肾毒性、生殖毒性、神经毒性、肠胃道毒性等。蓝藻的资源化利用过程中，首要问题是藻毒素的去除。目前，藻毒素的去除方法主要有4种：利用活性炭和滤膜等物理方法，利用臭氧和氯系氧化剂等化学方法，利用细菌和生物膜反应器等生物方法及一些组合方法[17]。目前还没有水虻幼虫降解藻毒素方面的研究报道。

前期研究显示，水虻单独利用藻泥效果不佳，鉴于此，作者通过亮斑扁角水虻武汉品系(武汉亮斑水虻)幼虫转化蓝藻藻泥与麸皮或玉米皮复配的饲料获得昆虫蛋白，优化饲料配方，同时考察水虻幼虫对蓝藻藻泥中藻毒素的降解作用，为大规模利用水虻幼虫转化蓝藻藻泥奠定基础。

1 实验

1.1 材料

亮斑扁角水虻武汉品系(武汉亮斑水虻)，由华中农业大学农业微生物学国家重点实验室提供，水虻虫卵的收集和幼虫的饲养参照文献[18]方法。

蓝藻藻泥(2批，含水率分别为95.0%、96.3%)、蓝藻藻粉(优势种为铜绿微囊藻Microcystisaeuginosa，含水率为10.0%，藻毒素含量为335.3 μg·g-1)，由中国科学院水生生物研究所提供。

麸皮，含水率为10.0%，粒径为 150 μm，市售。

玉米皮，含水率为11.0%，粒径为 150 μm，市售。

菌渣，含水率为52.0%，粒径为300 μm，武汉如意食用菌生物高科技有限公司。

白色水虻幼虫圆柱饲养盒15个，规格为直径 15 cm×20 cm，市售。

1.2 武汉亮斑水虻幼虫转化蓝藻藻泥

1.2.1 蓝藻藻泥与麸皮不同配比下的水虻转化效率

定量麸皮为100 g，加入不同量的蓝藻藻泥，同时调节含水率在65%～80%之间，具体配方见表1。

表1 蓝藻藻泥与麸皮复配的配方

将制备好的饲料分装到圆柱饲养盒中，同时放入规格大小一致的8日龄幼虫，任其自由取食，每盒200只，每组 4个重复。实验开始前所有幼虫饥饿 24 h，养殖过程中用两层纱布遮盖饲养盒使其避光并防止幼虫逃逸，控制室温(28±2) ℃，环境相对湿度40%～60%。待出现50%的预蛹后，虫料分离[19-21]。统计每组的50%预蛹时间，按式(1)～(3)分别计算物料减少率、水虻转化率、幼虫死亡率：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 蓝藻藻泥与玉米皮不同配比下的水虻转化效率

定量玉米皮为100 g，加入不同量的蓝藻藻泥，同时加入50 g金针菇菌渣，调节含水率在70%左右，具体配方见表2。

表2 蓝藻藻泥与玉米皮复配的配方

将制备好的饲料分装到圆柱饲养盒中，同时放入规格大小一致的8日龄幼虫，任其自由取食，每盒400只，每组 4个重复，饲喂方法同1.2.1。

1.3 武汉亮斑水虻幼虫对蓝藻藻粉中藻毒素的降解作用

将蓝藻藻粉按干重10%与麸皮进行复配，再加水，调节含水率为70%，具体配方见表3。

表3 水虻降解藻毒素的蓝藻藻粉配方

饲喂方法同1.2.2。计算其物料减少率、水虻转化率、幼虫死亡率；并取样，每个重复取50只幼虫、20 g残渣，测定每份样品中物料残渣和幼虫的藻毒素含量，按式(4)计算藻毒素降解率：

(4)

式中：C0为转化前物料藻毒素含量；C1为转化后物料残渣藻毒素含量；C2为转化后幼虫中藻毒素含量。

1.4 数据统计与分析

数据结果均以“平均数±标准误差”表示，采用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，通过单因素方差分析结合多重比较进行对照组与各处理组的显著性检验，不同小写字母表示具有显著性差异(P<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 蓝藻藻泥与麸皮、玉米皮不同配比下的水虻转化效率

蓝藻藻泥与麸皮不同配比下的水虻转化效率见表4。

表4 蓝藻藻泥与麸皮不同配比下的水虻转化效率

从表4可以看出，随着蓝藻藻泥添加量的增加，水虻转化率呈下降趋势，说明蓝藻藻泥及其中的藻毒素可能对水虻的转化效率有一定的负面影响；但是蓝藻藻泥添加量的增加对物料减少率的影响不大，其中，C组的物料减少率显著高于其它组，即蓝藻藻泥∶麸皮=3∶1(鲜重比)时，其物料消耗最多。D和E组的幼虫死亡率很高，分别为(21.83±1.83)%和(38.00±11.8)%，说明，当蓝藻藻泥∶麸皮为4∶1和5∶1(鲜重比)时，即藻泥干物质含量高于14%，水虻出现大量死亡的现象，这可能与蓝藻藻泥中藻毒素含量有关；并且D和E组的50%预蛹时间分别为23.8 d和44.6 d，转化时间大大延长，影响处理效率。A、B、C组的幼虫死亡率与对照组无显著性差异，其50%预蛹时间分别为10.9 d、12.3 d和15.5 d，均比较适中，可作为优选比例。综上，由于C组具有较高的物料减少率，同时其水虻转化率和幼虫死亡率、50%预蛹时间基本符合生产要求，可以作为物料转化的较佳比例，即蓝藻藻泥∶麸皮=3∶1(鲜重比)时，其物料减少率达(59.47±2.27)%，水虻转化率为(6.60±0.31)%，幼虫死亡率为(3.17±2.24)%，50%预蛹时间为15.5 d。

蓝藻藻泥与玉米皮不同配比下的水虻转化效率见表5。

表5 蓝藻藻泥与玉米皮不同配比下的水虻转化效率

从表5可以看出，随着蓝藻藻泥添加量的增加，水虻转化率和幼虫死亡率均无显著性差异，但物料减少率呈先升高后降低的趋势。其中，B1组的物料减少率最高，但其水虻转化率最低；C1组的水虻转化率最高，但其幼虫死亡率偏高，50%预蛹时间偏长；A1组虽然物料减少率比B1组稍低，但水虻转化率比B1组高，幼虫死亡率比B1组低，50%预蛹时间与B1组接近。随着蓝藻藻泥添加量的增加，50%预蛹时间呈先缩短后延长的趋势，其中B1组的转化周期最短，A1组其次。这可能是由于，蓝藻藻泥中含有丰富的蛋白质，能提供水虻幼虫生长必需的营养，但由于蓝藻藻泥含藻毒素，蓝藻藻泥添加量过多反而会对水虻幼虫的生长有害。综合考虑，A1、B1组均较佳，但B1组消耗蓝藻藻泥量是A1组的2倍，故B1组为最优配方，即蓝藻藻泥∶玉米皮∶菌渣=4∶2∶1(鲜重比)时，其物料减少率达(63.90±0.46)%、水虻转化率达(11.46±0.56)%、幼虫死亡率为(2.92±0.46)%，50%预蛹时间为13.0 d。

2.2 武汉亮斑水虻幼虫对蓝藻藻粉中藻毒素的降解作用

用蓝藻藻粉按干重10%与麸皮进行复配后饲喂水虻幼虫，经10 d的转化，物料减少率为46.12%，水虻转化率为13.44%，幼虫死亡率为2.50%。转化前，蓝藻藻泥中藻毒素含量为3 688.12 μg，水虻幼虫中藻毒素含量为0；转化后，蓝藻藻泥中藻毒素含量为2 146.83 μg，水虻幼虫中藻毒素含量为29.81 μg。表明，蓝藻藻泥经过水虻幼虫10 d的转化，藻毒素降解率为40.98%，仅有0.81%的藻毒素转移到水虻幼虫体内，转移量小。

2.3 讨论

亮斑扁角水虻对有机废弃物具有杂食性，对餐厨剩余物、鸡粪和猪粪等有很好的转化效果，但对于一些营养差难以消化的有机废弃物，通过与营养较好的废弃物或农副产品复配，水虻也可以有效利用。例如，牛粪富含纤维素、半纤维素和木质素，与鸡粪(或豆渣)以4∶6的比例复配，水虻生长和转化效果最好[22]。食用菌培养后的菌渣(包括基质和菌根)富含纤维素，水虻幼虫单独转化效率不高，但添加40%的麸皮或餐厨剩余物可以取得很好的转化效果[23]。Chia等[24]将肯尼亚的工农业生产废弃物如啤酒酒糟和制糖工业的废糖蜜进行复配作为水虻幼虫饲料，将不同原料产生的酒糟与废啤酒酵母液或废糖蜜复配成12个配方饲喂水虻幼虫，对水虻幼虫、预蛹、蛹和成虫的发育时间、存活率及成虫的产卵量进行了比较，显示不同的复配对这些指标有不同程度的影响，为水虻大规模转化这些废弃物提供了基础数据。

徐歆歆等[25]将含0、10%、20%、30%及 40%去油脂裂殖壶藻藻渣的日粮饲喂8日龄的水虻幼虫，发现藻渣的添加量不超过 10%时，不会对幼虫的生长造成负面影响；当添加量不超过30%时，可显著提高幼虫中n-3多不饱和脂肪酸的含量。该研究是采用去油脂裂殖壶藻藻渣进行复配，没有对新鲜藻泥进行复配实验。本研究将蓝藻藻泥与麸皮、玉米皮等按不同配比进行复配来饲喂8日龄水虻幼虫，发现藻泥干物质添加量在10%左右时，其转化效果最佳，水虻转化率可达到5.07%～13.21%，物料减少率达到51.10%～63.90%，50%预蛹时间为10.9～44.6 d。蓝藻藻泥与麸皮最佳配比下，水虻转化率仅为(6.60±0.31)%，结果并不令人满意。于是在蓝藻藻泥与玉米皮配比的优化中，将投虫密度达到3 100～3 600只·(kg干物质)-1，并在配方中加入一定量的菌渣，调整了物料的黏度以及C/N，物料减少率和水虻转化率得到明显提高，使其更符合水虻幼虫生长和转化的需求。

本研究发现，水虻幼虫对蓝藻藻泥中藻毒素有一定降解作用，降解率为40.98%，水虻幼虫转化蓝藻藻粉后，仅0.81% 的藻毒素转移到水虻幼虫体内，转移量小。虽然藻毒素降解率低于堆肥等传统方法，但通过水虻幼虫培养条件优化可以提高藻毒素降解效率。本研究为大规模利用水虻幼虫转化蓝藻藻泥和降解藻毒素提供新思路、新方法。

3 结论

通过武汉亮斑水虻幼虫转化蓝藻藻泥与麸皮或玉米皮复配的饲料获得昆虫蛋白，优化了饲料配方，同时考察了水虻幼虫对蓝藻藻泥中藻毒素的降解作用。结果表明，当蓝藻藻泥∶玉米皮∶菌渣=4∶2∶1(鲜重比)时，水虻幼虫转化效率最高。当水虻幼虫饲料中藻泥干物质添加量在10%以下时，不会对幼虫的生长造成负面影响，可以获得较高的水虻转化率、物料减少率；一旦藻泥干物质添加量超过14%，水虻出现了大量死亡现象，转化时间也大大延长，这可能与蓝藻藻泥中的藻毒素含量有关。首次发现水虻对蓝藻藻毒素有一定降解作用，为大规模利用水虻幼虫转化蓝藻藻泥提供了基础数据。