黑水虻生物转化有机废弃物研究进展

孙运奇 苗金辉 周田田 侯瑾 任继波 袁文鹏

摘要 随着我国经济社会的快速发展，日益增长的有机废弃物带来的环境污染问题越来越严重。黑水虻作为一种营腐生性的水虻科昆虫，其幼虫可以将餐厨垃圾、畜禽粪便等有机废弃物快速转化为优质的虫体蛋白和脂肪等营养物质，在消除环境污染的同时，有效提升有机废弃物资源化利用效率。近年来，黑水虻的研究开发利用得到了快速发展，对黑水虻的生物学特性、有机废弃物处理研究进展、黑水虻产业化发展过程中存在的问题等进行了综述，以期为黑水虻产业发展提供参考。

关键词 黑水虻;生物转化;废弃物处理;产业化

中图分类号 X 174  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）15-0010-04

Abstract With the rapid development of economy and society in China，the environmental pollution problem caused by the growing organic waste is becoming more and more serious.As a saprophytic insect of Tabanidae，the larvae of  Hermetia illucens  can quickly transform organic wastes such as kitchen waste and livestock and poultry feces into highquality nutrients such as protein and fat，and effectively improve the efficiency of resource utilization of organic wastes while eliminating environmental pollution.In recent years，the research，development and utilization of  Hermetia illucens  has been rapidly developed.The biological characteristics of  Hermetia illucens， the research progress of organic waste treatment and the problems existing in the development of  Hermetia illucens  industrialization were reviewed in order to provide references for the development of  Hermetia illucens  industry.

Key words  Hermetia illucens; Biotransformation;Waste management;Industrialization

基金項目 山东省科学院菏泽分院科研人才提升项目（801521010100000002）。

作者简介 孙运奇（1986—），男，山东临沂人，研究实习员，硕士，从事有机废弃物资源化利用和产业化推广研究。*通信作者，副研究员，博士，从事生物医药产品开发研究。

收稿日期 2021-03-10

随着我国经济社会的快速发展，日益增长的有机废弃物带来的环境污染问题越来越严重。为解决餐厨垃圾、畜禽粪便等有机废弃物带来的环境污染问题，开发其资源价值，国内外研究人员先后开发了包括填埋处理、焚烧及生物质能转化[1]、好氧堆肥[2]、厌氧消化[3]及饲料化[4]等在内的多种技术方案，但以上处理方法存在能耗和处理成本高、处理周期较长或易产生二次污染等问题。

黑水虻 （Hermetia illucens）， 又称亮斑扁角水虻，是双翅目水虻科扁角水虻属的一种腐食性昆虫[5]，其幼虫也称为“凤凰虫”，是与黄粉虫、大麦虫和蝇蛆等齐名的资源昆虫，在全球热带、亚热带及温带的大部分地区都有分布。黑水虻作为一种营腐生性的水虻科昆虫，其幼虫可以将餐厨垃圾、畜禽粪便等有机废弃物快速转化为优质的虫体蛋白和脂肪等营养物质，在消除环境污染的同时，有效提升有机废弃物资源化利用效率。自20世纪七八十年代以来，国内外学者陆续对黑水虻开展了诸多基础和应用研究，特别是近年来黑水虻的研究与开发利用得到了快速发展[6-9]。笔者对黑水虻的生物学特性、有机废弃物处理研究进展、黑水虻产业化发展过程中存在的问题等进行了综述，以期为黑水虻产业发展提供参考。

1 黑水虻的生物学特性

黑水虻是一种完全变态昆虫，其生活史一般分为卵、幼虫、蛹、成虫4个阶段，通常世代周期30～35 d。黑水虻幼虫分为6个龄期，自3龄期后食量开始明显增大，6龄预蛹体表颜色从乳白色逐步变为深褐色，并从食料中迁出，寻找隐蔽、干燥和有缝隙的地方等待化蛹[10]。黑水虻成虫口器退化，不取食，不进入人类居室。研究发现，黑水虻是一种日行性昆虫，阳光是诱导黑水虻成虫交配的重要环境因素，而气味则是引诱黑水虻雌性成虫寻找适宜产卵场所的重要因素[11-12]。

黑水虻幼虫阶段营腐生生活，繁殖速度快，消化能力强，食谱范围广，抗逆性强，不携带病菌，可以高效地将餐厨垃圾、畜禽粪便、废弃果蔬等在内的众多有机废弃物营养吸收转化为自身营养物质[13-15]。相关试验显示，黑水虻幼虫可减少约65%的餐厨垃圾[16]、50%以上猪粪和鸡粪[17]的堆积问题，可减少养牛场30%～50%的氮排放和60%～70%的磷排放[18]。在生物转化过程中，黑水虻幼虫的机械蠕动使有机废弃物始终处于有氧环境中，水分蒸发速度加快，难闻气味和病原微生物载体根本性减少，并能通过生存竞争有效控制家蝇等双翅目昆虫的滋生[19]。此外，研究表明黑水虻幼虫的营养组成具有一定的可塑性，其体内特定营养组分的含量高低可通过调节其采食的有机废弃物的营养来实现[20-23]。分析表1数据可知，黑水虻烘干虫粉中粗脂肪、钙和灰分的含量受到采食底物的影响较大，而蛋白质和氨基酸组成则相对比较稳定。

2 黑水虻生物转化有机废弃物研究

利用黑水虻处理有机废弃物作为一种新兴的废弃物资源化利用技术，具有良好的市场应用前景。目前研究人员已经对黑水虻生长繁育所需的适宜温度[24]、空气相对湿度[25]、光照[26-27]、饲料含水量[28]、抗逆性[29-30]等基础条件进行了研究，产业化应用技术研究也在快速推进。

2.1 黑水虻处理餐厨垃圾

随着人民生活水平的提高和城市化进程的加快，城市餐厨垃圾也呈快速增长的趋势，大量的餐厨垃圾如处理不当会严重影响人们的身体健康和生态环境。与其他废弃物相比，餐厨垃圾营养更丰富，具有较高的生物转化价值。任立斌[31]研究发现，黑水虻能够承受6%的渗透压，黑水虻幼虫最适生长含水率为70%，最适pH为3，最适含油量2%。尹靖凯等[32]研究表明，经过黑水虻幼虫8 d的转化，餐厨垃圾干物质可减少率为74.0%，干物质转化率为33.9%;转化后黑水虻虫体内的粗蛋白和脂肪含量分别为45.1%和48.1%，分别是原餐厨垃圾中蛋白和脂肪总量的61.3%和64.0%。熊彩虹等[33]研究显示，餐厨垃圾养殖黑水虻鲜虫产率达12%～20%，虫沙得率为15%～20%;黑水虻幼虫干粉中共有17种氨基酸，其中必需氨基酸有9种，并以缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸和精氨酸为主，而脂肪酸以月桂酸、棕榈酸、油酸、亚油酸为主，且幼虫干粉中月桂酸含量最高。任立斌等[34]还构建了以黑水虻为核心的新型餐厨垃圾处理系统，为实现餐厨垃圾处理区域点、面源全覆盖，促进居民垃圾分类的积极性和责任感，提高餐厨垃圾的回收和资源化利用提供思路和解决方案。

利用餐厨垃圾饲养黑水虻养殖周期短、虫体产量高、饲料转化率和幼虫存活率高，具有较好的经济效益[35-36]。虽然不同地区饮食习惯差异造成餐厨垃圾成分含量的差异化[37]，但研究表明黑水虻对饥饿、pH、辣度和盐度等环境条件具有良好的耐受性[38-39]，这为利用餐厨垃圾实现规模化黑水虻养殖提供了有力支撑。

2.2 黑水虻处理畜禽粪便

畜禽粪便处理难一直制约着整个养殖产业的良性和可持续发展，黑水虻转化畜禽粪便时，不仅可以减少粪便的积累，消除粪便的恶臭气味，降低环境污染，同时还可以降低粪便中的有害微生物含量，如粪便中的大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌等[19]。

解慧梅等[40]评价了黑水虻规模化处理猪场粪便的可行性及处理效果，发现4日龄黑水虻幼虫、鲜猪粪、堆料厚度15 cm 的组合处理效果较好，这为黑水虻处理规模化猪场粪便提供了试验依据。马加康等[41]探讨了黑水虻幼虫对新鲜鸭粪的处理能力及粪便转化的效果，结果显示鸭粪可以作为黑水虻幼虫的饲料，添加量以60%为宜，饲养效果较为理想。Craig等[7]研究表明，黑水虻可以以8%的转化率将鸡粪（干重）转化为粗蛋白和脂肪，比重分别为42%和35%。郭会茹等[42]试验显示，鸡粪饲养的黑水虻幼虫含水量为69.1%，粗蛋白、粗脂肪、粗灰分分别占干物质含量的 37.60%、36.00%、5.46%;黑水虻幼蟲总氨基酸含量达 32.27%，赖氨酸占粗蛋白质的 5.80%，总游离脂肪酸含量为22.39%，高效抗菌物质月桂酸的含量高达8.88%。StHilaire等[43]研究显示以牛粪饲喂黑水虻幼虫，在预蛹前加入28%的鱼加工废弃物混合饲喂24 h，可以显著提高黑水虻预蛹的σ-3脂肪酸的含量。此外，研究显示黑水虻对畜禽粪便中的重金属也有解毒作用[44]。利用黑水虻在自然界采食粪便的生物学特性，用来大规模地生物转化畜禽粪便，是有效解决畜禽粪便无害化、资源化利用的一种重要途径。

2.3 黑水虻处理其他有机废弃物

黑水虻不属于任何形式的农业害虫、卫生害虫或入侵生物种类，用豆渣、玉米渣等食品级原料饲养的黑水虻是可以放心使用的饲料级或食品级的蛋白质和脂肪来源[23]。魏亚茹[45]利用黑水虻对城市剩余脱水污泥的生态处理研究显示，污泥干重减量与污泥比例呈正相关，在污泥含量60%时去除率最大，达到14.72%，黑水虻虫体蛋白质含量为13.72%～17.71%，这为更深入探究黑水虻对有机污泥的生态削减与控制提供了科学依据。杨燕等[46]以黑水虻为媒介处理猪伪狂犬病和猪高致病性蓝耳病2种疫病致死猪病料，检测结果表明，收获的黑水虻虫体中这2种疫病菌核酸检测都呈阴性，初步提示黑水虻可以用于病死畜禽尸体的无害化处理。

3 黑水虻处理有机废弃物产业存在的问题

我国的高校、科研院所等从欧美发达国家引进黑水虻已有十几年，但大多还停留在理论研究[47-49]以及小规模产业化技术研发[50-52]层面上，真正能够实现规模化生产并能够持续运转的企业并不多，业界还没有实现黑水虻生物转化有机废弃物产业化的快速突破，存在的主要问题概括如下。

3.1 黑水虻人工种虫繁育困难

黑水虻种虫交配产卵稳定是实现黑水虻养殖产业化的前提，尽管黑水虻单雌成虫产卵量很高[10]，但因在自然条件下种虫交配率低、形成受精卵的比例低，特别是冬春两季，导致收获的虫卵无法满足生产所需。黑水虻种虫交配繁育困难成为制约黑水虻产业化快速发展的关键。

3.2 黑水虻周年化和规模化养殖技术尚不成熟

黑水虻的养殖受环境条件（尤其是温度）的影响很大，在国内不同地区、不同气候环境条件下实现黑水虻周年化、规模化养殖，首先要满足黑水虻生长各阶段过程中对温度、湿度和光照等环境因素的需求，使黑水虻在最适条件下生长;其次还要加大对黑水虻养殖自动化、机械化设备的研发力度，如立体养殖设备和虫粪分离设备等，以减少用工数量和工人劳动强度，提高生产效率，降低生产成本;此外，还需要实现整个养殖工艺的模块化、标准化，并培养足够数量的专业技术人才。目前国内外都加大了对黑水虻周年化和规模化养殖技术开发的投入，从对黑水虻处理有机废弃物项目中盈利的预期导致了许多公司的成立，但这些企业不得不面临黑水虻养殖生产稳定性差、生产效率低等问题[53]，所以黑水虻周年化和规模化养殖技术尚不成熟。

3.3 黑水虻在水产和畜禽动物养殖领域应用进展缓慢

豆粕和鱼粉产量增长受限，多依赖进口，价格波动较大，加剧了养殖饲料蛋白的短缺，寻找质优价廉的替代蛋白产品已迫在眉睫[54]。黑水虻作为一种可持续供给的新型动物蛋白原料，能够提供水产和畜禽动物所需的蛋白和能量。目前黑水虻在国外的产品形式多为脱脂虫粉，而国内有全脂虫干、脱脂虫干、虫油和虫浆发酵产品等应用形式，并且未有统一的产品质量标准。尽管黑水虻的营养价值已经被许多研究和工程实践所证实[55-57]，但由于绝大多数水产和畜禽养殖界的营养学家和配方设计人员都没有接触过黑水虻这种新型蛋白原料，故需要建立起更多研究、试验数据支撑的黑水虻饲用效果数据库，才能逐步实现黑水虻标准化、大规模的应用和推广，进一步提升其饲用价值。黑水虻养殖产业化刚刚起步，市场供应链不完善，目前大部分养殖企业均还处在做市场探索的阶段，黑水虻产品销售市场渠道还未打通。黑水虻作为有机废弃物资源化利用的下游产物，在水产和畜禽养殖领域的推广应用需要产学研紧密合作，共同努力推动才能逐步达成。

4 展望

以黑水虻为生物媒介的有机废弃物生物转化系统，打破了常规以微生物降解为核心的固有处理技术格局。自从欧盟2015/2283和2017/893号条例允许在水产养殖饲料中使用黑水虻作为饲料蛋白源以来，全球食品和饲料行业对以黑水虻为代表的资源昆虫的开发利用越来越关注，黑水虻产业进入了快速发展阶段[5]。为了充分发挥黑水虻作为有机固废处理新模式和新型饲料原料的优势，未来可围绕以下几个方面开展相关研究。

4.1 聚焦黑水虻人工种虫繁育技术研究

黑水虻虫源不足一直是规模化生产中亟需解决的问题，而解决虫源不足的关键是找到一种可以促进黑水虻稳定交配产卵的人工光源[25，58]，从而解决连续阴雨天及室内大规模养殖时所需的光照问题，打破困扰多年的黑水虻人工育种繁殖困难的技术瓶颈。近期已有研究人员研制出低能耗、长寿命的LED补光灯，通过不同光层模拟太阳光照，促进黑水虻交配产卵，可显著提高黑水虻人工种虫繁育效率[59]。

4.2 建立標准化生产模式，逐步实现黑水虻工厂化生产

黑水虻工厂化生产是集自动化、机械化、规模化和标准化于一体的，不受季节影响的连续、高效养殖模式。随着劳动力成本不断上升、对黑水虻产品供应需求的增加以及对黑水虻产品品质要求的提升，黑水虻工厂化生产将成为黑水虻养殖产业发展的必由之路。未来需要持续加大研发投入，突破各环节技术难题，逐步建立完整的黑水虻人工繁育、环境控制[60]、防病防疫等技术体系，使黑水虻全产业链能够实现标准化和可控操作，从而为后续固体有机废弃物规模化处置、黑水虻产品开发和深加工以及市场的大范围推广奠定坚实的基础。

4.3 加大黑水虻在水产和畜禽饲料产品中的研究和开发力度

黑水虻幼虫和预蛹作为具有生物活性的优质功能蛋白和脂肪来源，可作为鱼粉、豆粕和血浆蛋白粉等传统饲料蛋白源的补充。未来的研究重点包括：①在满足黑水虻存储和运输要求的前提下，加强黑水虻幼虫产品加工工艺的研究，如酶解和发酵工艺，以提高其在水产和畜禽动物中的应用效果;②进一步探究黑水虻制品在水产和畜禽动物中使用时的营养成分消化效率和能值，为其作为蛋白饲料源应用提供更多基础数据;③充分考虑配方的氨基酸平衡和脂肪酸组成，探究黑水虻不同制品在水产和畜禽不同品种或生长阶段中的最佳应用形式与添加量;④探究黑水虻制品及其不同组分在水产和畜禽动物中的应用效果和作用机制，特别是在免疫保护和抗应激方面的作用，为其深度应用提供理论依据和技术支持[23]。

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