光辅助机械化分离黑水虻虫沙的参数量化研究

宋世圣， 周婷， 孙松林， 彭才望

(湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128)

自然界中，生物会进化出各种精密且准确的传感器以适应环境的变化。光作为最基本的环境因素之一，具有强大的生态功能，可以直接或间接地影响生物体的行为模式[1]。趋光及负趋光行为是生物体长期进化过程中产生的重要生物学特性，其本质是生物体的视觉传感器在受到光刺激后产生的行为反应。目前，围绕昆虫的趋光及负趋光特性相关学者进行了大量研究。YOSHIZAWA等[2]以日本鲺作为研究对象，发现其趋光特性具有独特的昼夜节律。GONG等[3]发现果蝇幼虫在1～3龄阶段存在负趋光反应，而在3龄至化蛹阶段，负趋光反应逐渐减弱。林嘉聪等[4]讨论了不同光质及光强下的蚯蚓负趋光性，为蚯蚓粪分离机械的研究提供了参考。江幸福等[5]对草地螟成虫施加不同单色光及白光的刺激，发现草地螟成虫的趋光性随着日龄的增加而增强。黎柳锋等[6]研究发现，通过人工光照破坏夜间的黑暗环境，可干扰荔枝蛀蒂虫成虫交配和产卵。陈祯等[7]研究发现，随着光照强度增加，烟蓟马成虫的趋光性整体呈波状增强趋势。黑水虻是一种双翅目水虻科昆虫，其幼虫可以将有机废弃物取食消化为富含有机质和氮的虫沙，具有繁殖快、转化效率高以及对人类无害等优点，其虫粪有助于改善土壤理化性质并提高作物产量[8]。陈晓瑛等讨论了黑水虻幼虫粉替代鱼粉对黄颡鱼幼鱼生长发育的影响。窦永芳[9]等探究了光照对于黑水虻幼虫生长发育的影响。目前，关于黑水虻幼虫的避光性已有相关论述[10]，但对黑水虻幼虫在不同光照条件下产生的应激驱避反应的探究还未见报道。

黑水虻幼虫在投入餐厨垃圾10～12 d后，即可完成资源化处理，进入到回收阶段。课题组前期设计了斗式取料机及双向螺旋取料装置[11-12]，一定程度上可以收集并转运黑水虻虫沙。但是，由于黑水虻虫沙水分含量跨度大，现有滚筒筛[13]和振动筛在实际分选过程中存在粘筛堵孔的问题，其清洁率受到严重影响。因此，如何提升高含水率虫沙的分离清洁率是黑水虻虫沙机械分离环节中亟待解决的问题。目前，光分离法在昆虫养殖业的实际分选中较为常见。TAUSEEF等[14]基于蚯蚓的避光性设计了光分离器，利用光源将蚯蚓从蚯蚓-基质混合物中驱赶到单独隔间以实现分离的目的。郑涛等[15]根据蝇蛆的负趋光特性，设计了蝇蛆分离机，可以对粪料逐层刮除，使得分离率提升明显。但是，蚯蚓、蝇蛆与黑水虻在生物特性方面还存在较大差异。因此，本研究基于黑水虻幼虫的负趋光特性，通过探究不同光源条件下黑水虻幼虫产生的光驱避反应，量化分析光辅助逐层刮取洁净虫沙的分离机械所需要的重要参数，即光源条件、不同光照时间下无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的分布特征，为黑水虻虫沙在光辅助作用下的机械化分离提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验黑水虻虫沙取自湖南农业大学黑水虻科研基地，原料为餐厨垃圾，成分为肉类、青菜、辣椒、土豆、莲藕、米饭和面条等，由黑水虻幼虫取食消化10～12 d形成。采用电热鼓风干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)和电子天平(上海梅特勒-托利多仪器有限公司，精度0.1 mg)测定虫沙的干基含水率均值为56.3%；利用液态石蜡测定法[16]测得虫沙的孔隙率在50%～70%之间；黑水虻幼虫体长18～25 mm，平均体长为22.4 mm；黑水虻幼虫体宽4～5 mm，平均体宽4.3 mm；每百条黑水虻幼虫质量10～19 g，每百条平均质量为14.22 g。

1.2 试验装置

如图1所示，装置包括长×宽×高尺寸为200 mm×200 mm×300 mm的有机玻璃箱、亮度可调的LED灯(12 W，深圳市爱耐特宝科技有限公司)、窄带滤光片(长春瑞研光电科技有限公司)、数字照度计(精度0～100 000 lx，苏州特安斯电子有限公司)、数显温度湿度传感器(温度-50～110 ℃，湿度1%～99%，深圳市信泰微电子科技有限公司)。所选光质分别为红光(660 nm)、黄光(580 nm)、绿光(520 nm)、蓝光(440 nm)以及白光(全光谱)，各单色光由各窄带滤光片滤光得到。

1.LED灯；2.滤光片；3.标尺；4.黑水虻虫沙；5.遮光板；6.温度湿度传感器1；7.温度湿度传感器2。

1.3 试验方法

1.3.1 不同光源条件的影响 为排除其他自然光源对试验的影响，试验在凌晨1:00进行，室内环境温度20.5～21.3 ℃，有机玻璃箱内部虫沙温度20.8～21.4 ℃，无噪音干扰。试验装置内经黑水虻生物转化后的餐厨垃圾厚度为150 mm，光源与虫沙表层距离250 mm。在虫沙表层利用数字照度计测量光照强度并调节光源亮度，每组试验重复4次，每次试验后更换黑水虻幼虫，以减小同一批黑水虻幼虫带来的误差。温度湿度传感器1的探头设置在距黑水虻虫沙表层15 mm处，温度湿度传感器2的探头设置在距黑水虻虫沙底部50 mm处，每30 s记录1次，共光照5 min。

筛选使黑水虻幼虫产生应激驱避反应最大的光照强度和光质。随机取50头黑水虻幼虫均匀置于虫沙表面并利用秒表开始计时。由于黑水虻在实际生物转化有机固体废物时会因各种外部原因导致少量幼虫的死亡[17-18]，因此在90%黑水虻幼虫从表面消失时结束计时，测得黑水虻幼虫在不同光照强度和光质下的消失时间。当90%的黑水虻幼虫从虫沙表面消失5 min后，使用刮板在虫沙表面进行刮料，虫沙原本高度值与刮板刮到第一条黑水虻幼虫时虫沙高度值差值为虫沙表层无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度。综合比较黑水虻幼虫在不同光照强度和光质下的消失时间及虫沙表层无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度，得到黑水虻幼虫产生应激驱避反应最明显的光照强度和光质。

考察自然光源与人工光源对黑水虻幼虫的负趋光反应影响。将室外太阳光、室内自然光和180 lx白光3种光源下黑水虻幼虫负趋光行为进行对比。于2021-11-23中午12:00将试验装置移到室外空地，去除LED灯及滤光片，使太阳光直射虫沙表面，利用电子照度计测得虫沙表面的光照强度，记录该光照条件下黑水虻幼虫在虫沙表层的消失时间及产生的净虫沙层厚度。将试验装置移至室内，使室内自然光直射虫沙表面，试验方法同上。其中，室外太阳光80 000 lx，温度15.1～16.0 ℃；室内自然光300 lx，温度20.2～21.0 ℃。

1.3.2 光照时间的影响 选择使黑水虻幼虫产生应激驱避反应最大的光照强度和光质，在此条件下，自90%黑水虻从表层消失起开始计时，分别在光照1、2、3、4、5、6 min后利用刮板刮取，得出黑水虻幼虫应激驱避反应最大光源条件下虫沙表层无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度与光照时间的关系，筛选最佳光照时间。

1.3.3 头囊宽的影响 在筛选后的光源条件及光照时间下，选取不同头囊宽的黑水虻幼虫进行试验，均值分别为0.89、0.94、1.00、1.05、1.10 mm，试验方法同1.3.1，探究不同头囊宽的黑水虻幼虫的负趋光行为反应。

1.4 数据处理

本试验采用SPSS 26.0对试验数据进行Duncan’s显著性分析(P<0.05差异显著)，利用Origin 2017绘制图线并进行数据拟合。

2 结果与分析

2.1 不同光源条件对黑水虻幼虫负趋光行为的影响

2.1.1 光照强度和光质对黑水虻幼虫在虫沙表面消失时间的影响 如表1所示，除红光外，在各光质不变的条件下随着光照强度的增大，黑水虻幼虫消失时间均减小，且存在一定差异性。在红光条件下，黑水虻幼虫的消失时间与其他4种光质存在显著差异。在5种光照强度下，红光的黑水虻幼虫消失时间均在100 s以上，说明黑水虻幼虫对于红光的敏感性较差。黄光与蓝光的黑水虻幼虫消失时间在除150 lx光照强度下均无显著差异，表明二者对黑水虻幼虫的刺激作用比较相似。白光的黑水虻幼虫消失时间相较于其他4种单色光差异显著，且在180 lx的光照强度下消失时间最短，为40 s，说明黑水虻幼虫对于白光的负趋光敏感性最大。按各光质条件下黑水虻幼虫的消失时间排序为白光<绿光<黄光<蓝光<红光。

表1 不同光照强度和光质下黑水虻幼虫在虫沙表面消失时间Table 1 Disappearance time of black soldier fly larvae on the surface of frass under different light intensity and light quality s

2.1.2 光照度和光质对无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的影响 堆体表面一定深度存在着光照，黑水虻幼虫在光源条件的刺激下，会钻向虫沙深处，因此会在虫沙表层产生一定厚度的无黑水虻幼虫的净虫沙层。如表2所示，当环境温度为20 ℃时，红光在5种光照度条件下与其他4种光源均具有显著差异，且无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度较小，仅有3 mm，因此红光不适合用做黑水虻虫沙分离的辅助光源。黄光与蓝光在5种光照强度下，产生的无黑水虻幼虫的净虫沙层均无显著差异，且黄光与蓝光对于黑水虻幼虫的刺激作用比较相似，因此在黑水虻幼虫的饲养环节中，若使用到黄光或蓝光，2种光源可相互代替。在绿光刺激下，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度较大，且随着光照度的增加，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度存在显著差异，说明黑水虻幼虫对于绿光的敏感性较强。当光照度在150 lx及以上时，白光与绿光对无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的影响具有显著差异，说明黑水虻幼虫对于全光谱白光的敏感性最强。相较于绿光而言，白光具有方便、成本低的优点，因此在日常进行黑水虻虫沙分离时，可采用180 lx白光作为辅助光源对黑水虻虫沙进行照射。

表2 不同光照强度和光质下无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度

2.1.3 自然光源与人工光源下黑水虻幼虫的负趋光反应对比 将室外太阳光、室内自然光和180 lx白光3种光源下的黑水虻幼虫负趋光行为进行对比，结果如图2所示。室外太阳光与另外2种光源存在显著差异。室外太阳光的黑水虻幼虫在表面消失时间较短，同时在消失5 min后产生的净虫沙层厚度较大。而室内自然光与180 lx白光之间无显著差异。在上述差异基础上，记录虫沙内部温度和湿度变化如图3。室外太阳光的虫沙表面温度逐渐升高，底部温度保持稳定，表面与底部之间温度差随光照时间增加而增大，其余2种光源的虫沙内部温度始终保持稳定，且3种光源的虫沙内部湿度变化较相似，因此虫沙内部温度差异可能影响黑水虻幼虫的负趋光行为。因此，自然光也适合用作光分离机械的辅助光源。

2.2 光照时间与虫沙表层无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的关系

如图4所示，在180 lx白光照射下，光照时间与无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的拟合曲线拟合程度良好，光照时间与无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度呈三次函数关系：f(x)=-0.18x3+1.9x2-2.5x+0.96(R2=0.99)。随着光照时间的增加，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度呈上升趋势，说明随着光照时间的增加，黑水虻幼虫在光照作用下钻入虫沙深度越深。在光照时间为1～2 min时，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度增加较平缓；在光照时间为2～5 min时，随着时间的增加，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度增加趋势较陡；在5 min之后，无黑水虻幼虫的虫沙层厚度增加趋势再次趋于平缓。这可能是因为180 lx的白光透过虫沙14 mm深度时，光线变得极其微弱，光照对于黑水虻幼虫的影响可忽略不计。因此，在实际设计光辅助分离机械时，可以每光照5 min进行1次15 mm深度的刮料。

大写字母表示厚度之间差异显著(P<0.05)，小写字母表示时间之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 不同头囊宽黑水虻幼虫的负趋光行为

黑水虻幼虫在投入餐厨垃圾10～12 d时，即可进行回收处理[19]，此时已进入其第五和第六龄期。不同龄期的黑水虻幼虫对光线的敏感性不同，而头囊宽又是识别黑水虻幼虫龄期的重要方法[20]。因此，探究不同头囊宽的黑水虻幼虫对光源的反应，为黑水虻虫沙的光辅助机械分离提供一定依据。在180 lx白光条件下，对均值为0.89、0.94、1.0、1.05、1.10 mm 5种尺寸头囊宽的黑水虻幼虫进行消失时间及无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的分析。由图5可知，随着头囊宽的增加，黑水虻幼虫的负趋光性逐渐减弱，在表层消失时间变长，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度减小。其中，头囊宽为0.89 mm的黑水虻幼虫与1.10 mm的黑水虻幼虫负趋光行为存在显著差异，负趋光性明显变弱。因此，在使用光分离机械分选黑水虻虫沙时，头囊宽较小的黑水虻幼虫所占总数比例越大，分离效果越好。

3 结论与讨论

光在现代农业中的应用前景极为广阔[21]。本研究围绕光源条件、时间对黑水虻幼虫的驱避作用及无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的分布特征进行讨论，量化分析了光辅助机械分离过程中所需的重要工作参数。通过观察不同光源条件下黑水虻幼虫的负趋光行为，本研究证明黑水虻幼虫对不同光质均存在一定的负趋光反应。其中，黑水虻幼虫对红光的敏感性较差，因此红光不适合用作光分离机械的辅助光源。黑水虻幼虫对全光谱白光产生的应激反应最大，在虫沙表层最短消失时间为40 s，产生的无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度可达15 mm，推测是因为全光谱白光中存在一定的红外光谱，在辐射虫沙表面时产生大量的热量，使虫沙表面温度迅速升高。在光热协同作用下，黑水虻幼虫产生了强烈的应激避光反应。通过观察自然光源与人工光源下的黑水虻幼虫负趋光行为，发现室外太阳光环境下产生的净虫沙层厚度较大，与室内自然光和180 lx白光差异显著，推测有2个方面的原因。一是黑水虻虫沙作为介质对光有吸收作用，光线进入虫沙内部后，一部分光能被转化为内能或热能；二是太阳光中的红外光谱使虫沙表层温度迅速升高，且在光照度越大时，黑水虻幼虫产生的热应激反应越大，而由于虫沙底部光线透射较少，温度保持较稳定，由此产生的无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度较大。

图3 黑水虻虫沙内部温度和湿度变化

图4 光照时间与无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度的拟合关系

在180 lx白光的作用下，无黑水虻幼虫的净虫沙层厚度与光照时间呈三次函数关系，这是由于光在照射虫沙堆体时，光线经投射及反射在堆体内部逐渐减弱，对距虫沙表层一定距离的黑水虻幼虫影响较小。不同头囊宽尺寸的黑水虻负趋光行为试验结果表明，随着黑水虻幼虫头囊宽的增加，负趋光性逐渐减弱。这种幼虫负趋光而成虫趋光的特性已有报道。XIANG等[22]发现果蝇幼虫存在负趋光性而成虫具有趋光性，这是因为果蝇脑中具有2对神经元对2种行为偏好进行控制。如果在果蝇幼虫脑中对该神经元的活性进行抑制，即使是负趋光的幼虫也会变得趋光；而如果激活这2对神经元的活性，即便是趋光的果蝇成虫也会有负趋光反应。

图5 不同头囊宽的黑水虻负趋光行为

综合比较试验结果，自然光与白光适合作为黑水虻虫沙光辅助机械化分离的光源。在该光源条件下，机械化定时、定量逐层刮取光照下的黑水虻虫沙，不仅可以得到清洁率较高的干净肥料，还能节省劳动力。同时，相较于传统机械化分离，光辅助机械化分离黑水虻虫沙具有不受物料水分限制、缩短分离回收时间以及减少黑水虻幼虫机械损伤的优势。