黑水虻幼虫处理鸡粪后虫体营养及虫沙评价

蔡影峰，牛世华，刘朔，程增文，廖新俤，2，3，邢斯程，2，3*

（1.华南农业大学动物科学学院，广州 510642；2.广东省畜禽废弃物处理与资源化利用工程技术研究中心，广州 510642；3.农业农村部鸡遗传育种与繁殖重点实验室，广州 510642）

随着畜禽养殖业发展，养殖方式由散养转变成集约化养殖，养殖场由原来农区、牧区逐步转移到城镇郊区，从而导致农牧严重脱节[1]。据农业农村部官方数据显示，截至2018 年全国畜禽粪污年产量约38 亿t，其中畜禽直接排泄的粪便约为18 亿t[2]。我国蛋鸡产量连续34年位居世界第一[3]，蛋鸡粪在所有畜禽粪便中养分最高，蛋鸡产粪量约为其采食量的110%~120%，且鸡粪中含有大量有机物、氮、磷、钾[4]，新鲜鸡粪粗蛋白含量可达17%[5]，因此将鸡粪进行后续资源化利用具有巨大潜质。

黑水虻幼虫作为处理畜禽粪便的典型媒介，可合理资源化利用鸡粪，避免对环境造成污染，处理完粪便后收集的虫体还可作为蛋白饲料。刘良等[6]的研究发现，黑水虻幼虫对猪粪具有较高的转化效率，处理后粪便干物质所含的各种营养元素如氮、磷等得到不同程度的减少，同时消除了粪便的臭味，极大地减少了粪便对环境的不利影响。NEWTON 等[7]发现黑水虻幼虫处理鸡粪后可降低50%左右的鸡粪质量，且其虫体粗蛋白可达42.1%，粗脂肪达34.8%。目前，黑水虻幼虫应用于动物饲料是通过虫糜、虫干、虫粉、虫油等方式[8]，其可在猪、肉鸡、蛋鸡日粮中替代部分豆粕或鱼粉[9-13]。因此，保证黑水虻高效处理畜禽粪便的同时保证其作为饲料的质量是推广黑水虻处理养殖废弃物及资源化利用的重要技术探究。

已有研究报道，黑水虻幼虫可处理多种营养废弃物，但是不同基质养殖黑水虻幼虫所要求的密度差异较大。窦永芳等[14]选择7 日龄黑水虻幼虫按5个养殖密度类型分配到尺寸统一的15 个饲养盒后用餐厨垃圾米饭进行饲养，发现D2000 组（0.51 只·cm-3）密度适合于小规模选育，D2500 组（0.64 只·cm-3）适合于幼虫在餐厨垃圾中的工厂化生产；字晓等[15]发现将4 日龄黑水虻幼虫8 750 条投加到20.0 kg 牛粪中为实验范围内最佳饲养密度。但利用蛋鸡粪养殖黑水虻幼虫的密度尚未确定。同种基质要求养殖黑水虻幼虫的密度也有较大的差别，例如幼虫密度过大，鸡粪量不能满足幼虫生长发育所需要的营养，会导致幼虫生长发育停止，幼虫营养成分减少；幼虫密度太小，鸡粪中营养物质不能得到充分利用且产出的虫沙难以直接利用。郭会茹等[16]发现在鸡粪中添加283.69 g·t-1黑水虻虫卵，处理后的虫沙可达到《有机肥料》（NY 525—2012）。综上所述，虫子的投放密度对得到质量高的虫体及达标的虫沙有机肥具有重要作用。

因此，为利用黑水虻高效处理鸡粪，使得到的虫沙可以达到有机肥料标准，同时虫子的生长发育不受影响，虫体可作为高质量饲料，本研究通过设置不同幼虫投放条数，测定不同幼虫条数处理粪便后虫沙中关键物质的含量及虫体营养成分，初步得出最佳的幼虫投放比例，为今后利用黑水虻高效处理鸡粪并同时保证虫体质量的生产和研究提供理论支持和数据参考。

1 材料与方法

1.1 采样鸡场与虫卵购置

选择广东绿杨农业股份有限公司的蛋鸡场，采集150 日龄新鲜蛋鸡粪。黑水虻虫卵购买于广州无两生物科技有限公司。

1.2 主要仪器及试剂

人工气候培养箱、万级天平、游标卡尺、pH 计、元素分析仪。

1.3 试验方法

1.3.1 黑水虻幼虫养殖与分组

本试验采用麦麸对黑水虻虫卵进行孵化，其含水率为75%，温度28~30 ℃。幼虫孵育到3日龄后，将黑水虻幼虫按不同比例添加到100 g 蛋鸡粪中，试验设14 个处理组和1 个空白组，每组3 个重复，具体试验分组设计如表1 所示。所有处理组用塑料盒（11.5 cm×8.5 cm×4.5 cm）装载并置于人工气候培养箱中饲养，饲养条件为24 h 黑暗，湿度70%~80%，温度28~30 ℃，当50%幼虫变成黑棕色预蛹时停止饲喂，幼虫及虫沙保存于-80 ℃冰箱。培养过程中，各组每3 d随机选择5 条幼虫称质量、测体长。各组第1 d 和最后1 d收集10 g鸡粪保存于-80 ℃中用于检测。

表1 试验分组Table 1 Experimental grouping

1.3.2 幼虫生长发育指标测定方法

每3 d选取各组生长发育速度一致的黑水虻幼虫5 条，用游标卡尺测量体长，用万级电子天平称量鲜质量。待50%幼虫进入预蛹阶段时，记录幼虫发育日龄。收获黑水虻幼虫后，分别统计各组活虫数并计算存活率。

1.3.3 幼虫营养指标测定方法

各组取50条6龄黑水虻幼虫用蒸馏水洗净，称质量，60 ℃烘干至恒质量后测定10 条6 龄幼虫的平均干质量并计算水分含量。将烘干后的幼虫磨碎，过20 目筛，4 ℃密封保存用于测定营养指标。称取2 mg虫粉，用样品纸包好，放入元素分析仪的样品槽中，选定CHSN 测试模式，测出总氮含量；粗蛋白含量为总氮含量×6.25×100%。粗灰分根据《食品中灰分的测定》（GB 5009.4—2016）方法测定。

1.3.4 虫沙理化指标

称取2 g 虫沙样品，加20 mL 超纯水，涡旋混匀1 min，然后静置15 min，用pH计测定样品pH。称取2 g样品在105 ℃烘干至恒质量后再次称质量，计算虫沙含水率。称取2 mg 虫沙，用样品纸包好，放入元素分析仪的样品槽中，选定CHSN 测试模式，测出总氮、总碳含量并计算C/N。粗蛋白含量为总氮含量×6.25×100%。全磷测定采用硫酸-双氧水消煮-钒钼黄比色法；全钾测定采用硫酸-双氧水消煮-火焰原子吸收分光光度法。总砷、总镉、总铬、总铅和总汞采用《肥料中砷、镉、铬、铅、汞含量的测定》（GB/T 23349—2020）方法测定。

1.3.5 虫沙生物学指标测定方法

有机质：高温外加热重铬酸钾氧化-容量法；类腐植酸：焦磷酸钠浸提-重铬酸钾氧化-容量法；类富里酸和类胡敏酸：焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法（NY/T 1867—2010）。

1.4 数据分析

检测数据经Excel 初步处理，GraphPad Prism 8.0软件作图，SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析，结果以“平均数±标准误”表示，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 黑水虻幼虫生长性能及营养成分分析

由表2 可知，随着幼虫比例的增加，黑水虻幼虫体长及鲜质量变小，T50 组每条黑水虻幼虫体长及鲜质量显著高于其他处理组，分别达到17.60 mm 和134.70 mg，幼虫鲜质量是T1000 组的10 倍。成活率在T50~T400 组及T800 组间无显著差异，均在93%以上，但显著高于 T500、T600、T700 和 T1000 组。幼虫干物质含量T50 和T100 组显著高于T150~T1000 组，随着幼虫比例的增加，幼虫干物质含量呈现下降趋势。T50~T300组幼虫粗蛋白含量（DM 基础，下同）随着幼虫比例增加呈下降趋势，T300~T1000 组呈上升趋势且在T1000 组达到最高，为39.70%，显著高于低幼虫比例组。T50 和T100 组幼虫粗灰分显著低于其他组，分别为21.97%和25.52%，说明T50 和T100 组幼虫营养成分显著高于其他处理组。

表2 各处理组6龄幼虫营养成分Table 2 Nutrient composition of 6 instars larvae in each treatment group

2.2 黑水虻虫沙成分分析

由表3 可知，黑水虻幼虫可大幅降低鸡粪的含水率，T100~T1000 组虫沙含水率显著低于CK、T0 和T50 组，在21.47%~42.97%间呈无显著差异的动态平衡。虫沙pH 总体偏碱性，幼虫处理组pH 均高于CK组，T300 达到最高9.36。《有机肥料》（NY 525—2012）要求肥料pH 在5.5~8.5 之间，因此幼虫处理组只有T100 组符合要求。虫沙粗蛋白含量总体呈降低趋势，幼虫处理组显著低于CK 和T0 组，T350 组虫沙粗蛋白含量最低，说明黑水虻幼虫可以充分利用鸡粪的粗蛋白。幼虫处理新鲜鸡粪后，虫沙粗灰分含量均有显著提高，说明黑水虻幼虫可有效处理新鲜鸡粪中大部分营养物质。幼虫组虫沙总氮含量显著低于CK和T0组，主要分布在11.71~20.04 g·kg-1之间。总磷和总钾含量均在T100组达到最高，且显著高于CK组。

由图1 可知，虫沙类腐植酸在CK 组中含量最高，达到34.89%，T0 组略有降低，T50~T1000 组虫沙类腐植酸含量显著低于CK 组和T0 组，在17.46%~23.42%范围内达到动态平衡。说明黑水虻幼虫可以利用鸡粪中的类腐植酸，并且幼虫比例的上升不会对鸡粪类腐植酸的含量产生较大影响。表3显示，T350组虫沙有机质含量最低为39.70%，T350 组和T800 组均低于45%，不符合有机肥料技术要求。低密度幼虫处理组T50~T150 组虫沙有机质含量变化较小，随着幼虫密度的上升，虫沙有机质含量变化较大，这可能与虫沙的含水率变化有关。由图1 可知，幼虫处理组总养分含量均低于CK 组和T0 组，并且随着幼虫比例的上升，虫沙总养分含量降低，说明幼虫的增多会利用鸡粪更多的总养分。T0、T50和T100组间总养分含量没有显著差异，T150~T1000 组间没有显著差异，但幼虫处理组均显著低于CK组。经黑水虻处理的鸡粪总养分为5.78%~7.07%，均低于CK组和T0组，说明黑水虻幼虫利用了鸡粪中的部分总养分，并且随着幼虫密度的增加，总养分的含量降低，CK 组显著高于T50~T1000组。

表3 各处理组虫沙成分Table 3 Insect sand composition of each treatment group

如图1 所示，CK 组虫沙类胡敏酸含量显著高于T50 和 T100 组，而 T50 和 T100 组虫沙类胡敏酸含量显著高于其他幼虫处理组，并且其他幼虫处理组虫沙类胡敏酸含量接近于0，说明黑水虻幼虫数量的增多促进了鸡粪中类胡敏酸的矿化分解，黑水虻幼虫可能摄取鸡粪中的胡敏酸类物质。类富里酸是腐植酸中活性较大、氧化程度较高的组分，对促进矿物质的分解和养分的释放具有十分重要的作用[17]。如图1 所示，CK 组和T0 组虫沙类富里酸含量均显著高于幼虫处理组，幼虫处理组间无显著差异。说明黑水虻幼虫可促进鸡粪中类富里酸的降解，但随着幼虫比例的上升，类富里酸含量没有显著变化，这可能是因为类富里酸分子较小、结构简单、活性较高、容易被鸡粪中的微生物利用。T50 和T100 组虫沙类胡敏酸和类富里酸总含量显著高于其他幼虫处理组。由表4 可知，CK、T50 和T100 组虫沙中各重金属指标均符合《有机肥料》标准，因此T50 组和T100 组的虫沙用作有机肥料施用于农田效果更好。

表4 虫沙中重金属指标（mg·kg-1）Table 4 Heavy metals index of insect sand（mg·kg-1）

3 讨论

3.1 不同黑水虻幼虫投放密度对虫体生长性能及营养成分的影响

饲养密度对黑水虻幼虫生长性能以及营养成分起着非常关键的作用。本研究发现幼虫鲜质量及体长均随着密度的增加而降低，体长与鲜质量最大值均在T50 组。王子维等[17]研究认为，密度越大，幼虫平均体质量可能越轻，这与本文研究结果一致。试验中T50组幼虫在第14 d进入蛹期，T100组幼虫进入蛹期需要 16 d，T150 组需要 18 d，而 T200 组到第 20 d 仅约20%的幼虫进入蛹期，其余幼虫停止发育，不能进入蛹期，T250~T1000 组幼虫停止发育，不进入蛹期。这是由于幼虫密度增加，鸡粪营养物质不能满足黑水虻幼虫生长发育的需求而停止生长发育，继续添加鸡粪则可以使幼虫再次生长发育。申高林[18]的研究表明，更多的幼虫需利用更多的饲料，这与本文研究结果一致。幼虫粗蛋白含量在T50~T300 组呈降低趋势，在T350~T1000 组呈上升趋势，这可能与幼虫在不同发育阶段虫体内营养物质的转化有关，T50~T300 组幼虫密度较小，幼虫发育完全，虫体蛋白质降低，而密度高的幼虫处理组（T350~T1000 组）因为幼虫停止发育，蛋白质含量没有转化成其他营养物质，因此幼虫蛋白质含量较高。LIU 等[19]的研究发现，幼虫粗蛋白含量在第6 d前迅速上升，第7 d到第14 d粗蛋白呈下降趋势，最多可降低30.00%，蛹期粗蛋白含量虽略有上升但与第9 d 的幼虫相比减少1.60%，这与本研究结果一致，试验中高密度组幼虫可能在第9 d 前已经停止生长发育，粗蛋白含量保持在较高水平，因此粗蛋白含量比T50~T300组高。幼虫干物质含量整体呈下降趋势，说明随着幼虫的生长发育，虫体内水分减少。但粗灰分含量整体呈上升趋势，说明随着幼虫的发育，虫体干物质中粗灰分比例变小，同时干物质含量上升，说明幼虫在相同干质量下，密度越低的处理组，幼虫营养物质含量越高。幼虫成活率在T50~T300 组呈动态平衡，成活率均高于97.56%，T350~T1000 组成活率呈下降趋势，虽然T800 组成活率略有回升，但随着幼虫密度的增加，成活率总体呈下降趋势。本研究发现，幼虫的营养成分与生长性能随着幼虫密度的增大而降低，这是由于在鸡粪饲喂量不变的情况下，随着幼虫密度的增大，鸡粪中的营养物质难以满足幼虫摄食需求，幼虫不能获得足够的营养物质，从而停止生长发育，体内营养物质不再积累，甚至导致幼虫死亡。此外，随着幼虫密度的增加，幼虫之间的竞争更为激烈，这也可能是导致幼虫成活率下降的原因，这与前人研究结果类似[20-21]。

3.2 不同黑水虻幼虫投放密度对虫沙成分的影响

鸡粪经过合理密度的黑水虻幼虫处理后产出的虫沙符合《有机肥料》（NY 525—2012）的技术要求，并且可以直接作为有机肥产品进行销售。本研究表明，幼虫可大幅度降低鸡粪含水率，虫沙含水率最多可降低至21.47%，这可能与幼虫在鸡粪中的蠕动有关，幼虫的活动加快了鸡粪中水分的蒸发。虫沙pH总体偏碱性，幼虫处理鸡粪后，pH 呈上升趋势，可能是由于鸡粪中有机酸分解，产生大量NH3所致[22]。根据《有机肥料》标准中pH 5.5~8.5 的要求，CK 组和T100 组符合要求，分别为7.89 和8.48。研究发现幼虫处理鸡粪后，虫沙粗蛋白含量大幅降低，并且幼虫密度越大，虫沙粗蛋白含量越低；虫沙粗灰分含量升高，说明幼虫可以充分利用鸡粪中的粗蛋白，从而转化为自身的营养物质，并且幼虫密度越大，鸡粪中粗蛋白的利用越充分。虫沙中磷和钾的含量相比新鲜鸡粪略有上升，在T100组达到最大值，同时总养分含量（N+P2O5+K2O）在T100 组也达到最大值。徐伟栋[23]的研究发现，由于经过黑水虻幼虫与微生物对有机物的转化，CO2、NH3、H2O 等的损失，使鸡粪体积和干质量降低，而磷和钾不会挥发损失，因此虫沙中磷和钾的含量略有上升；此外，由于黑水虻幼虫密度较小，不能充分利用N、P2O5、K2O，而随着幼虫密度的增加，幼虫充分利用N、P2O5、K2O 后使总养分降低。但所有幼虫处理组虫沙总养分均高于《有机肥料》（NY 525—2012）标准要求（≥5%），说明鸡粪经黑水虻幼虫处理后可达到有机肥产品的标准。

本试验发现，幼虫处理鸡粪后，虫沙类腐植酸含量显著低于CK 组和T0组，说明黑水虻幼虫不能完全利用类腐植酸物质，虫沙中仍留有较高的类腐植酸含量（17.46%~23.42%）。因此，虫沙作为有机肥，其类腐植酸可能会提高植物产量与品质。类胡敏酸和类富里酸是类腐殖质的重要组成部分，在很大程度上对类腐殖质的质量起决定作用[24]。类胡敏酸是一种含有羧基、酚羟基等多种功能基团的高分子聚合物[25]，施入农田后，对土壤结构的形成及养分保持具有重要意义[26]。本研究发现，只有CK 组和T0~T100 组具有较高的类胡敏酸含量，而T150~T1000 组虫沙含有极少量类胡敏酸，说明减少黑水虻幼虫密度可增加虫沙中类胡敏酸的含量，此外虽然T100 组的类胡敏酸含量比T50组低29.20%，但T100组产出鲜虫数量比T50组多一倍；T50组与T100组重金属指标中总镉、总铬、总铅、总砷、总汞的含量均符合《有机肥料》标准；因此结合幼虫与虫沙的最优比例，T100组虫沙质量较好。

4 结论

（1）T50组与T100组黑水虻幼虫具有更高水平的生长性能及营养成分，鸡粪与幼虫的比例满足黑水虻幼虫正常生长发育的需求。

（2）T100 组虫沙被黑水虻幼虫充分利用后仍保留较多有利于提高植物品质的类腐植酸和类胡敏酸，其中pH、有机质、总养分含量及重金属含量均满足我国《有机肥料》（NY 525—2012）的要求，对该虫沙进行再加工可生产出商品有机肥料。

（3）综合考虑既要满足黑水虻幼虫生长性能及营养成分的需要，又尽可能满足《有机肥料》标准对虫沙的需求，T100 组即100 条黑水虻幼虫与100 g 鸡粪的比例是黑水虻幼虫高效处理鸡粪的合理比例。