利用黑水虻幼虫处理畜禽粪便的技术要点及前景展望

◆作者：邹仕庚 王斌,2 陈丽 庞旭 胡文锋 陈峰,2

◆单位：1.温氏食品集团股份有限公司研究院（技术中心），农业部动物营养与饲料学重点实验室；2.华南农业大学动物科学学院；3.华南农业大学食品学院；4.广州无两生物科技有限公司

随着经济发展和民众生活水平的不断提高，我国畜牧养殖业发展迅速。近年来，我国畜禽养殖模式从个人散养向企业规模化养殖加速转变，且畜禽存栏和出栏量稳步提高；由此集中产生了大量的畜禽粪便。据统计，2015 年我国畜禽粪污产量高达38.34 亿吨，其中新鲜粪便、尿液和污水分别为6.36、5.65 和26.33 亿吨。这些畜禽废弃物含有大量的氮、磷、重金属元素、寄生虫和多种病菌以及粪臭味（粪臭素、硫化氢、氨气等），不经处理或处理不当对生态环境中的气体、水体和表层土壤可造成严重的污染问题。近年来，国家已相继出台相关政策推进畜禽粪便的资源化利用，但是目前对畜禽粪污的综合利用率尚且不足60%。因此，如何有效推进畜禽养殖废弃物的处理和资源化利用成为当前急需解决的问题。

除了畜禽养殖的环境压力，饲料资源紧缺是当前畜牧业面临的另一难题。2050 年世界人口将达到90 亿，为此，当前的粮食生产量几乎要翻一倍。同时据联合国粮食及农业组织（FAO）估计，2010-2050 年人们对动物蛋白质（包括肉、水产品和奶）的需求量将每年提高1.7%，而与此对应的配合饲料产量也将逐年攀升。因此，人口和畜禽存在潜在的粮食竞争，作为畜牧业大国的中国面临着严峻的饲料资源紧缺问题。

表1 黑水虻不同阶段的形态特征和生理习性

1 黑水虻昆虫的介绍

黑水虻（Hermetia illucens L.），英文名称Black Soldier Fly，属于双翅目扁角水虻属，是一种全球广泛分布的资源性昆虫。黑水虻为全变态昆虫，生命史经历卵、幼虫、预蛹、蛹和成虫五个阶段。在27oC～30oC 人工饲养条件下，生命周期约为40 天。其中幼虫阶段约占生命周期的50%，为16～20 天。其幼虫以动物粪便和尸体、腐烂的水果及蔬菜等为食，食谱广、食量大、转化率高、生活史重叠、抗逆性强，在化蛹前有迁徙等习性（表1）。因此，许多国家正在开展利用黑水虻幼虫进行禽畜粪便及餐厨垃圾无害化处理的探索。

2 现阶段畜禽粪便的几种代表性处理方法

目前畜禽粪便常用的处理方法具体可以分为干燥化、肥料化、能源化和饲料化四大类。其中干燥化主要是通过自然阳光、设备进行干燥减量化处理。肥料化主要是采用好氧堆肥发酵（发酵床、立式发酵罐等）技术使粪便中的有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成肥力更好的腐熟肥料，增加土壤肥力，该处理方法在目前畜禽粪便处理方法中是最常用的。能源化包括普通焚烧和厌氧发酵产沼气两种方式，焚烧法主要是通过外加辅助燃料进行预先干燥再进一步燃烧，燃烧后再产生一定的热能；厌氧沼气发酵主要是粪便在多种厌氧微生物共同作用下产生沼气，再通过沼气发电或燃烧获得相应的电能和热能。最后一种处理方法是将畜禽粪便中含有的大量未消化粗蛋白、粗纤维、粗脂肪和矿物质等作为蚯蚓或某些昆虫（如黑水虻、家蝇等）的营养成分，通过转化后收集蚯蚓或昆虫虫体蛋白质而达到粪便减量化和资源化的目的。

然而，无论以上哪种处理方法，都只能是实现粪便减量化处理，最终都需要通过还田模式，通过植物、土壤微生物等进一步利用。因此，当前畜禽粪便最佳的处理方法是种养结合模式，首先采用物理、化学和生物等方法进行减量化处理后，再通过植物吸收和土壤微生物分解、矿化等进一步处理，是实现可持续畜禽养殖业发展的必经之路。

表2 畜禽粪便的营养成分（%）

图1 黑水虻处理畜禽粪便的可行性

3 黑水虻昆虫处理畜禽粪便的可行性

基于食谱广、食量大、转化率高和营养需求低等采食特点，黑水虻幼虫在处理有机废弃物方面具有良好的应用潜力。目前，饲喂商品化饲料的规模化畜禽粪便中残留丰富的营养成分（表2），一般水分、粗蛋白质和粗脂肪的含量为60%～75%、20%～40%和2.10%～5.13%，同时赖氨酸、胱氨酸和苏氨酸的含量较高、微量元素也比较丰富。理论上畜禽粪便的营养成分含量适于黑水虻幼虫的生长发育。在适宜条件下，黑水虻幼虫对畜禽粪便的处理效率较高，处理时间为9～11 d。研究结果表明，当养殖周期为11 d，黑水虻幼虫对新鲜鸡粪和猪粪的干物质转化率分别为29.3%和28.8%。在温度为28oC～30oC、粪便含水量为70%～75%时，黑水虻幼虫对猪粪的减重率达50%～60%，经处理后粪便呈现较为干燥的沙土状，臭味强度显著下降。余峰等也得出，黑水虻处理鸭粪具有明显除臭效果，处理后的虫沙符合生物有机肥标准，可用作生产有机肥的初级原料。通过粪便的分析表明，黑水虻幼虫处理减少了粪便中61%～70%的磷、30%～50%的氮，且降低大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等有害微生物。因此，黑水虻幼虫可高效、安全处理畜禽粪便，降低粪便中有机质的含量并可产生符合有机肥标准的虫沙。黑水虻处理畜禽粪便的可行性如图1。

4 黑水虻处理畜禽粪便需解决的几个技术要点

4.1 自动及环境可控的养虫设备

以往，黑水虻处理畜禽粪便及餐余的技术研究一般采用地面小池平养的模式（图2）。这种饲养方式的优势是符合黑水虻幼虫生长的生物学特性，且投资建造的成本较低，可以满足科研探索及养殖示范的需求。但是这种饲养方式尚且存在明显的缺限：所需的人工较大，不利于机械化操作；在气温较低时，控制环境温度的成本较高且难度很大。

图3 立体养殖

经过多年的探索及诸多行业人士的加入，生产实践中从业者逐渐开始应用设备及设施来提高养殖效率、降低劳动强度。这有效推动着黑水虻资源化利用畜禽粪便的技术从小池平养模式向自动环控的规模化养殖模式转变（图3）。随着技术的推广和应用，设备设施建造的成本也在不断降低，功能越趋完善。目前，社会对黑水虻处理有机废弃物的技术潜力已达成共识，因此行业中涌现出大量的高效养殖设备，其中不乏一些设备已完全可以满足当前生产的需要。

4.2 幼虫高效率地转化粪便有机物

随着越来越多的饲养实践证实，黑水虻幼虫可以处理禽畜粪便，转化粪便有机物为虫体营养成分，从而引起人们对使用设备设施进行黑水虻幼虫养殖的兴趣。但与此同时，应用设备设施时也希望幼虫进行粪便有机物的转化效率更高，从而提高设备设施的利用效率和幼虫的产出率，以提高经济回报及在产业中应用的吸引力。为了提高幼虫的生长效率，我们需要系统研究幼虫生长的最佳营养需要，这方面温氏集团研究院已着手进行了相关研究并取得一定进展。我们相信，随着研究和生产的深入，黑水虻幼虫处理畜禽粪便不但可行且有较高的经济价值。这将为我国解决粪便对环境污染的压力及提供部分饲用蛋白质资源都有重大的社会和经济意义。

4.3 幼虫原料在饲料行业中的应用

黑水虻幼虫含有丰富的营养成分，其粗蛋白质和粗脂肪的干物质含量分别为30%～42%和15%～40%，氨基酸平衡且钙含量高。经过脱脂处理，黑水虻幼虫的蛋白质含量可高达50%～65%，其蛋白质和氨基酸的营养价值与鱼粉相当并高于豆粕。同时黑水虻幼虫中月桂酸的含量约为12%，占总脂肪酸含量的40%，易被动物肠道吸收利用并具有抗氧化、抗应激和提高机体免疫的作用。因此，黑水虻幼虫及其加工产品是畜禽和水产饲料的潜在蛋白质和脂肪来源。在成本上，2019 年昆虫蛋白质售价9000～10000 元/吨，秘鲁鱼粉国内各港口报价为10300～12800元/吨，豆粕价格2700～3000 元/吨。由此来看，短期内黑水虻幼虫仅具有替代鱼粉的优势，可应用于水产饲料中。

国内外对黑水虻幼虫及其加工产品在水产饲料中的应用进行了广泛的研究。研究显示，黑水虻幼虫可替代水产饲料中0～50%的鱼粉，对动物的生产性能无负面影响；但替代量达到25%～50%，可能对动物生产性能具有不利影响，并显著影响鱼肉的肉品质和感官特性。考虑到实际应用，以生长性能为指标时，黑水虻幼虫在水产饲料中的建议替代量为鱼粉的0～50%；以鱼肉品质、肠道和肝脏结构以及血液生物为指标时，黑水虻幼虫的建议替代量为鱼粉的0～25%。

4.4 幼虫在水产饲料中的应用方式及应用品种

以往黑水虻幼虫在收获后，一般都采取烘干的方式保存、运输和使用，但由于幼虫虫体的含水量约为75%～80%，水分烘干需要大量的能耗。尽管行业里尝试过各种烘干方法，但烘干的成本依然高居不下。这也造成了黑水虻幼虫作为饲料的应用成本较高。经过摸索，幼虫收获后，直接匀浆桶装保存，可能是一个较好的选择。这也便于水产饲料厂采取液体喷涂的方式将虫浆添加到饲料中。该保存和使用方法将极大地降低黑水虻幼虫作为饲料的应用成本。但是虫浆的保鲜是技术的核心，这方面也取得了关键进展。基于日渐成熟的黑水虻技术产业，我们倡导水产饲料行业改变观念，积极推广使用液体原料及添加技术，降低成本和促进行业健康快速发展。

目前，大量的研究提示黑水幼虫在畜禽水产饲料中均有较好的应用效果，实践表明，幼虫在虾（如南美白对虾、小龙虾）和螃蟹等甲壳类动物上应用的效果最佳，可明显减少这类动物在脱壳期间的死亡率，并提高生长速度。另外，虫浆在甲壳类动物的幼苗期使用也有很好的效果。

5 结语

尽管当前畜牧业的高速集约化发展造成了我国粪便处理困难的问题，但随着科技工作者的不断努力，逐渐探索出一种安全有效的解决办法。其中之一是用黑水虻幼虫处理畜禽粪便，这不但在畜禽粪便的资源化利用中具有可行性，也可为虾蟹等甲壳类动物生产优质的功能性原料。随着规模化处理模式和虫浆保存等关键技术的攻克，利用黑水虻幼虫处理畜禽粪便的技术也将在行业中得到更为广泛的推广和应用。

参考文献：（略）