黑水虻转化有机生活废弃物相关研究进展

王成成，贾昭炎，刘 洋，叶小梅，杜 静，孔祥平，朱 飞，奚永兰

(1. 江苏大学 农业工程学院，江苏 镇江 212013；2. 江苏省农业科学院，江苏 南京 210014；3. 农业农村部 农村可再生能源华东科学观测实验站，江苏 南京 210014)

在发展中国家，许多城市和农村生活垃圾的回收利用受到了收集成本以及处理条件的制约，富含有机物的生活垃圾被直接排放到自然界中，或者进行填埋和焚烧处理，导致其得不到有效利用，因而造成了环境污染和资源浪费[1]。黑水虻幼虫可处理生活垃圾，自身更是一种重要的资源，其对环境影响小、成本低且对场地设备要求不高，这些优势使其成了近三十年的一个研究热点[2]。利用黑水虻幼虫处理有机生活垃圾是一种新的高效绿色的解决垃圾处理问题的办法。

黑水虻(HermetiaillucensL.)，学名亮斑扁角水虻，是一种腐生性的水虻科昆虫,其发育可分为卵、幼虫、预蛹、蛹和成虫这5个阶段，其中预蛹为离食期幼虫[1，3]。在5个阶段中，幼虫和蛹期所占时间最长，幼虫阶段通常为14 d或更长时间，具体取决于食物的可获得性和适当的环境条件，而成虫和卵的孵化期相对较短。由于黑水虻只在幼虫阶段摄食，其从预蛹开始，将停止进食，因此在转化废弃物时所使用的都是黑水虻幼虫[4]，这是因为幼虫时期需要大量摄入食物，而成虫的生存只需依赖幼虫阶段储存的脂肪，并从外界获取一些水分即可[5]。黑水虻产卵量大，一对成虫产卵量可达500～1 000粒，繁殖能力强[6]。

黑水虻幼虫作为腐食性昆虫，对腐烂且富含有机物的物质感兴趣，其摄食食物种类主要包含餐厨垃圾、动物粪便、动植物尸体以及污水污泥等[1]。由此可知，黑水虻幼虫摄食食物的种类广泛，且大多是人类生产生活的废弃物，这对于废弃物的资源化利用十分有利。

本文的主要内容是对黑水虻肠道微生物转化废弃物的相关研究进行综述，包括黑水虻幼虫适合的饮食和环境，其资源化利用的优势、价值和有效利用等方面的研究，以期为大规模利用黑水虻进行生活废弃物资源化的研究提供参考。

1 饮食和环境对黑水虻幼虫生长发育的影响

有机废弃物的种类及其质量好坏对黑水虻幼虫的生长发育具有一定的影响，它们主要影响幼虫的存活率、发育时间及体型大小。何钊等[7]选用当地常见的3种有机废弃物(豆腐渣、鸡粪及发酵鸡粪)分别喂养黑水虻幼虫时发现，豆腐渣的喂养效果最好。除了摄食的种类外，食物的含水率也会对幼虫的发育产生影响。喻国辉等[8]研究发现，人工饲料的含水率在30%时会造成幼虫的大量死亡，而50%与70%的含水率虽然不会让幼虫死亡，但其从幼虫到预蛹速度会变慢，由此可见，饲料的含水率高于70%有利于黑水虻生长。杨霞等[9]也进行了相似的研究，结果发现，饲料的含水率在70%～80%时，幼虫对饲料转化效率最高。

黑水虻幼虫抗逆性强，对干旱、食物短缺和缺氧等严苛的环境条件有一定的抵抗能力，但这些环境因素会影响黑水虻自身的生长发育，如果废物源变成厌氧，处理温度达到黑水虻的致死值或重金属浓度超过一定的阈值，可能会对幼虫种群造成致命的影响。因此，一个适宜的环境有利于促进其生长发育以及提高存活率。在温度为27～30 ℃、相对湿度为70%～80%时，黑水虻的生长发育、交配和产卵最有利[10]。光照强度对黑水虻幼虫的生长发育也有一定的影响。有研究表明，在1 000 lx碘钨灯光照条件下，黑水虻幼虫发育情况最佳，光过强或者过暗都会抑制幼虫的生长，并且建议使用人工光源来培育幼虫[11-12]。pH的高低也会对幼虫生长发育造成影响。最适合幼虫生长的pH为6～10[2]。过低的pH可以通过影响幼虫肠道中存在的酶的性能来影响黑水虻幼虫的养分利用[13]。

2 使用黑水虻幼虫进行废弃物资源化利用的优势及价值

2.1 黑水虻幼虫转化废弃物的优势

除了使用黑水虻幼虫实现对有机废弃物的利用外，厌氧发酵和有氧堆肥也是常用的有机废弃物处理方式[14]。黑水虻幼虫可以在一定程度上弥补厌氧发酵和有氧堆肥这两种处理方法的一些不足。

首先，黑水虻幼虫可以提高有机废弃物的转化速度以及转化率。幼虫食量大，作为处理餐厨垃圾的幼虫，其生长期仅为7～10 d，因此其转化废弃物的速度快[15]。Newton等[16]研究黑水虻幼虫处理猪粪时发现，粪便总固体质量减少了56%，且幼虫对于含水率大的废弃物也能很好地处理。Diener等[17]在利用黑水虻幼虫处理混合城市有机垃圾时发现，垃圾干物质减少量达65.5%～78.9%。Bosch等[18]查找分析了多种废弃物混合物的转化率数据后发现，干物质的转化效率为1.3%～32.8%，氮的转化效率为7.4%～74.8%。相比之下，厌氧发酵的处理时间较长，且转化率不高[19]。

其次，与有氧堆肥容易释放难闻气体且滋生蝇虫不同[20-21]，利用黑水虻幼虫转化废弃物对环境的干扰小。黑水虻幼虫能够有效降低不同畜禽粪便排放的有害难闻气体水平，这可归因于其对废弃物中微生物的抑制[22]。

最后，不同于家蝇，黑水虻不会选择在腐烂的有机质上产卵，且成虫不觅食，不会进入人的生活区，因此黑水虻不会传播疾病[23]。有研究发现，黑水虻转化的粪便不适宜家蝇的产卵和生长[24]。因此使用黑水虻幼虫处理粪便可以有效解决有氧堆肥中滋生苍蝇的问题。

2.2 黑水虻幼虫的虫体及其所转化后的废弃物价值

黑水虻幼虫通过对废弃物的转化，使废弃物得到了有效利用，避免了因废弃物直接排放对环境造成负担。除此之外，黑水虻幼虫的虫体及其转化后的残留物都拥有可观的利用价值。其中，黑水虻幼虫将废弃物中的有机物转化为了自身的营养物质后，摄食完的黑水虻幼虫体内蛋白质含量可达32%～58%、脂肪含量可达15%～39%[25]，这使其具有成为动物饲料的潜力。幼虫的身体成分与摄取的食物质量和数量有关，部分去除脂质后的幼虫蛋白质含量可达干质量的55%～65%[26]。黑水虻幼虫体内多种氨基酸的含量与鱼粉相似，可以加工成蛋白饲料来喂养动物，可作为鱼粉和豆粕等饲料的替代物[27]。Barragan-Fonseca等[28]研究发现，在家禽、猪和鱼饲料中添加部分黑水虻幼虫粉对动物生长不会造成不良影响。此外，黑水虻幼虫中的月桂酸、抗菌肽和甲壳素有可能使其成为优质的饲料添加剂[29]。除了制成动物饲料，幼虫中所含的脂肪也可以用于提取生物柴油。黑水虻中中链饱和脂肪酸含量较高，多不饱和脂肪酸含量低，可生产低黏度和高抗氧化性的生物柴油[30]。在利用餐饮垃圾生产生物柴油过程中，可以协同黑水虻幼虫处理垃圾并提取其中的脂肪进一步加工成生物柴油，提高生产效率[31]。Zheng等[32]利用微生物辅助黑水虻幼虫转化废弃物，在1 000 g稻草和餐馆固体废弃混合物中，2 000个黑水虻幼虫可生产约43.8 g生物柴油。不仅如此，黑水虻还可以用于提取抗菌肽，经过分离提纯，制成抑菌抗病毒及抗癌的药物[33]。

废弃物经过黑水虻幼虫转化后的残留物，其中过量的营养物质被消耗，使其更加适合作为肥料来使用。Newton等[16]研究发现，黑水虻幼虫对猪粪中的氮、磷、钾去除率分别达到55%、44%和53%，可有效减少粪便中的富集元素。由此可见，黑水虻幼虫有助于改善堆肥的质量，除了提高废弃物的成熟度，减少废弃物中未被转化的生物量，还能减少废弃物中的重金属含量以及致病菌数量[34]。

3 黑水虻幼虫肠道微生物功能和多样性

黑水虻幼虫通过唾液腺和肠道来消化废弃物，Kim等[35]提取幼虫唾液腺和肠道消化酶并分别测定其活性，结果发现，肠道中的消化酶活性远高于唾液腺，该结果表明幼虫主要通过肠道来消化废弃物。昆虫除了肠道本身进行的新陈代谢外，肠道微生物区系也对昆虫生物转化过程起到重要作用。昆虫肠道中含有密集且复杂的微生物群落，由细菌、原生动物、真菌、古菌和病毒组成，这些群落在消化、宿主生理和免疫以及防止病原体在肠道定殖等方面起着重要作用[36]。肠道微生物的一个重要功能便是通过分解饮食中的大量营养物质来生成代谢产物。这些产物用于幼虫的代谢和抵御病原体。肠道微生物通过分泌酶来消化食物，利用酶将碳水化合物还原为单糖，将蛋白质还原为氨基酸，将脂肪转化为甘油三酯和脂肪酸，被微生物或幼虫进一步利用[37]。Zhan等[38]分析不同食物和时间点的微生物区系组成时，发现了16个独立于饮食或时间点的操作分类单元(OTUS)门，并证实这些门是与黑水虻消化有机废物相关的核心微生物群：其中，厚壁菌门(Firmicutes)在各饮食中的OTUS丰度相似；厚壁菌门可分泌多种蛋白酶和果胶酶，参与消化动物粪便以及秸秆中一些难以分解的碳水化合物；拟杆菌门(Bacteroidetes)和变形杆菌门(Proteobacteria)也有较高的丰度，其中类杆菌可降解高分子有机物。

昆虫幼虫的肠道微生物来源于成虫和生活摄食环境，昆虫肠道中的pH、酶和抗菌蛋白等影响着肠道微生物的多样性[25]。喂食食物的不同会影响幼虫肠道的微生物多样性，Zhan等[38]运用基于16S rRNA序列分析，以探测微生物的多样性，并基于OTUS的丰富度分析微生物的多样性，结果发现喂养乳制品和猪粪的幼虫肠道微生物区系比喂养家禽粪便更复杂。

4 黑水虻幼虫肠道菌群与喂食底物菌群之间的相互作用

黑水虻幼虫在摄食废弃物过程中，肠道菌群与废弃物中的菌群会发生相互作用。江承亮[39]利用共现网络(co-occurrence network)，将餐厨垃圾作为喂食底物来研究幼虫肠道菌群与喂食物菌群之间的相互作用，发现当肠道菌群进入到喂食底物中，大部分肠道菌群与底物菌群之间形成竞争，进而改变了底物中的微生物群落结构，这可能导致了底物微生物多样性的降低；同时，肠道中一些具有较强代谢能力的细菌也会进入到底物中，进一步提高了喂食底物转化有机物质的能力。Cifuentes等[36]在测定幼虫肠道和饲料残渣的微生物群落时发现，饲料残渣中的细菌丰度显著增加，然而，肠道中的微生物多样性在饲养过程中仅略有增加，并没有随着时间的推移发生显著变化。

除此之外，初始喂食底物中的少部分菌群也会进入黑水虻幼虫肠道中，与幼虫形成共生关系，帮助幼虫降解一些原肠道菌群无法降解的物质来促进幼虫发育[39]。De Smet等[40]发现，黑水虻幼虫在无菌底物上不能快速发育，这表明底物中的一些细菌对幼虫的发育有利。

5 黑水虻幼虫转化废弃物最新研究动态

5.1 提高黑水虻幼虫转化废弃物效率

为了进一步提高黑水虻幼虫转化废弃物效率，目前用于提高处理废弃物效率的方法除了改变幼虫密度或者供食量外，还有对废弃物进行预处理以及利用微生物协同幼虫对废弃物进行共转化。一般来说，幼虫密度越大，废弃物的转化量越大，但密度过大会导致单个幼虫的体质量降低且相应的投入成本也变大，需要找到幼虫密度与供食量之间的平衡，以达到效率与效益的最大化。陈海洪等[41]分别用0.8、1.0和1.2 g幼虫处理10 kg猪粪，结果发现，幼虫的发育在0.8 g添加量时达到最优点，最适合用于实际生产。

在预处理方面。Brits[42]研究发现，对于大颗粒废弃物(例如整个蔬菜或肉类产品)，黑水虻幼虫不能很好地消化，而在将废弃物喂食幼虫之前进行粉碎处理，减小颗粒体积，可以有助于幼虫的消化。除了废弃物体积大小的影响外，种类单一的废弃物也不适合用黑水虻来转化，其转化效率往往较低。例如，城市生活垃圾含水率高，农业废弃物木质纤维素含量高，这些都会影响处理速度。因此，根据各种废弃物成分及营养物质的不同，制作混合肥料有利于提高幼虫处理废弃物的能力。马加康等[43]将鸭粪添加到以麸皮与玉米粉配制的普通饲料中喂养黑水虻幼虫时发现：当鸭粪添加量小于60%时，幼虫生长速度逐渐提高；当添加量大于70%时，幼虫生长速度下降；添加量在60%时，效果最佳。Rehman等[44]将不同比例的牛粪与鸡粪制成混合物来喂食黑水虻幼虫时发现，由于牛粪中含有较多的纤维素、半纤维素和木质素，牛粪含量过高降低了幼虫的存活率及发育速度；与牛粪单独作为饲料相比，添加鸡粪可有效提高废弃物的处理能力。

在微生物协同共转化方面。Zheng等[32]使用黑水虻幼虫和微生物(Rid-X)共转化稻草和餐饮垃圾时发现，纤维素降解率提高134.8%、半纤维素降解率提高72.7%。Xiao等[45]将黑水虻幼虫肠道分离出的枯草芽孢杆菌添加到鸡粪中与幼虫进行共转化时发现，鸡粪的减量以及残渣的成熟度都有一定的提高。

5.2 幼虫作为动物饲料以及转化后的残留物作为肥料的安全性

有机废弃物中成分复杂，其中不乏残留农药、致病菌以及真菌毒素等有害物质。在工业品生产和使用中会造成水体以及食品的重金属污染，如果幼虫因摄食含有重金属残留的废弃物而导致重金属的生物积累，对黑水虻作为动物饲料的安全性构成了挑战。黑水虻幼虫可以降低废弃物中一些重金属的浓度，而残留物的重金属浓度是否满足堆肥要求需要进一步研究。Lalander等[46]将黑水虻幼虫添加到含有许多致病菌的废弃物中，在饲养过程中发现，大肠杆菌和沙门氏菌等病原体被消除。Purschke等[47]用含有多种真菌毒素、杀虫剂以及重金属的底物培养黑水虻幼虫叶发现，真菌毒素(如黄曲霉毒素)和杀虫剂(毒死蜱)没有在幼虫组织中积累，而镉和铅在幼虫体内有明显的生物积累。Attiogbe等[48]在研究不同数量的黑水虻幼虫转化不同汞含量的混合底物时发现，底物中的汞被黑水虻幼虫大量吸收并影响了幼虫的生长，幼虫数量越多，吸收汞的量也越多，最终底物中的残余汞降至4.09 mg/kg，可满足大多数国家对堆肥中汞含量的最低要求。

目前由于对废弃物中一些有害物质的去向缺乏了解，用于生产动物饲料的废弃物种类仍然应该受到限制。因此，养殖幼虫如果是用于加工饲料的目的，用于喂养幼虫的食物应当进行检测，幼虫加工成饲料过程中也应当进行杀菌和消毒，以便将饲料的风险降到最小。

5.3 黑水虻幼虫肠道物质的提取和下游利用微生物之间的衔接

从幼虫肠道提取的物质除了可用于废弃物共转化外，还有其他的用途。周定中等[49]通过抗菌筛选获得一株水虻肠道细菌BSF-CL，属于枯草芽孢杆菌，该菌对水稻黄单胞菌以及小麦纹枯病病原菌等有很强的抑制效果。Lee等[50-51]在黑水虻肠道元基因组中分离出了2种酶：一种是纤维素酶，具有高度稳定性,可用于环境恶劣的工业环境；另一种是新的碱性淀粉酶，该酶在温和碱性环境下拥有高的活性和稳定性，可用于洗涤剂、食品和饲料生产。熊强等[52]发明了一种利用黑水虻幼虫肠道菌制备复合微生物制剂的方法，该制剂能促进豆渣的转化，具体步骤是通过差速离心法分离出幼虫肠道菌，然后用营养肉汤培养基培养这些肠道菌，最后用得到的菌悬液作为复合微生物制剂。

5.4 黑水虻幼虫在厌氧消化前处理方面的优势

黑水虻幼虫处理后的残留物除了用于堆肥外，还可作为厌氧消化的原料来生产沼气[53]。将黑水虻幼虫消化废弃物作为厌氧消化前处理步骤也具有一定优势。黑水虻幼虫能够分泌消化酶，将食物中的大分子降解为小分子，还能降解纤维素、半纤维素和木质素等难于降解的物质，促使厌氧消化更好地进行[54]。相较于单纯的生物堆肥和厌氧消化，将黑水虻处理与厌氧消化相结合可以提高废弃物的转化率[55]。

5.5 黑水虻幼虫降解大分子的过程及降解产物的特点

目前对于黑水虻幼虫消化系统的研究较少，而了解黑水虻幼虫消化系统形态和生理特性有利于未来进一步利用黑水虻。Gold等[25]从与黑水虻幼虫消化方式类似的5种苍蝇入手来解释幼虫的消化过程：苍蝇幼虫通过口器进食，进食后的食物通过食道、腺胃进入中肠；苍蝇幼虫可以从唾液腺通过口腔，利用淀粉酶或麦芽糖酶等酶促进食物中大分子的分解，进一步的分解在中肠道中进行；中肠中分泌有大量的酶，再加上肠道的特殊环境，促进了食物中大分子的大量分解。Bonelli等[56]通过对黑水虻幼虫消化道进行解剖建立了黑水虻幼虫中肠功能模型，此模型可将中肠划分为前、中、后3个区域，中肠前部主要分泌淀粉酶，用于水解多糖；中肠后部主要分泌内肽和外肽酶，将蛋白质水解。

经过黑水虻的转化，与初始状态相比，降解产物的成分和结构发生改变，腐殖化程度提高，干物质含量降低[57]。但马景津等[58]发现，经黑水虻转化后的餐厨垃圾含水率较高且生化稳定性相对较低，容易发酵发热，产生臭味，需要进行二次处理才能用来堆肥。

6 本研究团队在黑水虻转化废弃物研究中的主要进展

本团队近几年关注黑水虻转化废弃物的研究。目前，主要针对黑水虻产业化养殖生产中存在的养殖方式粗放、产能不稳定、对环境影响无法有效控制等问题开展针对性研究，并在黑水虻仿生人工繁育技术、黑水虻工厂化养殖的标准化工艺参数、黑水虻虫体及虫粪产品开发等方面取得一系列研究成果[59-63](图1)，相关研究成果已在企业实现技术转让。研究目标是实现黑水虻转化利用有机废弃物的标准化、集约化、模块化生产，推动黑水虻蛋白产业的可持续发展。

图1 本团队研究路线Fig.1 Reaserch route of the team

7 总结与展望

综上所述，黑水虻幼虫作为资源化昆虫在废弃物转化、饲料生产和生物柴油、工业品与医药开发等方面拥有巨大的潜力。利用黑水虻的这些优势，可以很大程度上降低污染的排放，促进资源的有效利用；还能取代现有的一些不可持续的资源，有效缓解人们未来对能源和饲料的压力；并且能为工业和医药的一些新的发现与应用提供可能。然而，黑水虻的研究利用也存在一些挑战。例如用作动物饲料存在安全性问题，由于许多废弃物中的成分比较复杂，很难保证有害物质能够完全分解并不在幼虫体内滞留，因而需要在转化前对废弃物的有害物质含量进行严格限制，且要对黑水虻做进一步加工处理，从而保证安全性，这在无形中提高了成本。此外，黑水虻对生活环境有一定的要求，要想黑水虻幼虫保持一个高转化效率，需要给幼虫搭建一个人工环境，这就要求一定的设备投入，成本较高，这也限制了黑水虻幼虫的大规模应用。

未来的研究重点应该是黑水虻肠道各微生物群落的具体功能及其作用机制，提高黑水虻体内高值物质的提取工艺水平以及研发标准化的、适宜幼虫大规模转化废弃物的设备等方面。