亮斑扁角水虻对有机废弃物的应用及其肠道微生物研究进展

陈逢浩,郑玉姣,ASEM Elabasy,李 军,李志刚,徐齐云*

(1. 华南农业大学植物保护学院,广州 510640;2. 广东省科学院动物研究所/广东省动物保护与资源利用重点实验室/广东省野生动物保护与利用公共实验室,广州 510260)

城市与乡村统筹发展过程中产生的废弃物,如畜禽集约型养殖的粪便以及日常垃圾等,给生产生活造成了一系列的问题。直接排放、焚烧和填埋等传统的处理方式,存在环境污染、资源浪费、非法回收和威胁食品安全等缺点(Shumoetal.,2019)。20世纪50年代,家蝇Muscadomestica处理粪便技术体系对以上问题提供了较为有效的解决方法,但是由于经济成本高难以推广;70年代发现亮斑扁角水虻Hermetiaillucens可替代家蝇处理有机废弃物,转化后的虫体更是一种重要的资源,该虫具备对环境无害、成本低廉且易于生产等优点,使其成为了近三十年的一个研究热点(Meneguzetal.,2018)。

亮斑扁角水虻,属双翅目Diptera水虻科Stratioemyidae扁角水虻属Hermatia昆虫,又称黑水虻,具有卵、幼虫、蛹和成虫4个阶段,广泛分布于世界各地(45°N和40°S之间)(Shumoetal.,2019)。幼虫共有6个龄期,在5龄之前取食废弃物种类广泛且食量巨大,而预蛹期与成虫期的亮斑扁角水虻皆不进食,因此对废弃物的转化主体正是食物摄入量巨大的幼虫阶段(Joseph and Kaufman,2021)。

在国际上,亮斑扁角水虻资源利用的关注度正日渐提升,尤其在不同底物与其幼虫之间的相互作用方面。Leong等(2016)的研究发现,亮斑扁角水虻的单个体重、生长周期以及营养组成等因不同的有机废物(污泥、果皮和棕榈仁饼)而各异,且后代的性别比亦会产生变化。不仅如此,有机废物的含水率、温湿度、pH以及环境光照等因素也会影响亮斑扁角水虻幼虫的生长发育情况(Salametal.,2022)。而在我国,目前较为关注亮斑扁角水虻幼虫生物转化作用的影响机制,普遍认为其肠道菌群为主导因素(喻国辉等,2010;周定中等,2012;江承亮,2018)。本文在系统总结了亮斑扁角水虻幼虫生物转化有机废弃物类型、优化途径、虫沙应用价值与肠道微生物功能的基础上,讨论了该领域未来研究方向,以期为亮斑扁角水虻在废弃资源方面的应用提供新思路。

1 亮斑扁角水虻对有机废弃物的生物转化作用

亮斑扁角水虻幼虫食谱广泛,包括禽畜粪便(Lalanderetal.,2014)、餐厨垃圾(Mohd-Nooretal.,2017;周海林,2021)、动植物残体(杨燕等,2016;Elsayed,2020)、沼渣污泥(Lietal.,2015)等,在有机废弃物的减量应用方面成效显著。

1.1 亮斑扁角水虻生物转化禽畜粪便

全球禽畜养殖产业向规模化迅速发展,但随之产生的大量禽畜粪便亦造成了污染环境和资源浪费等问题,利用亮斑扁角水虻生物转化技术可对禽畜粪便进行减量及除臭除菌,符合安全指标(崔哲铭等,2022)。粪便类型作为亮斑扁角水虻生物转化作用的重要影响因素(Mirandaetal.,2021),使得近年来的研究集中于探讨不同类型禽畜粪便的转化可行性及其转化效率。

在应用亮斑扁角水虻转化鸡粪方面,虽然鸡粪干物质的减量率可达37%～60%(Oonincxetal.,2015;Rehmanetal.,2017;Rehmanetal.,2019),但单独转化粪便时效果并不理想。Bortolini等(2020)的研究发现,在鸡粪中掺入粗菱沸石更适宜亮斑扁角水虻对鸡粪的生物转化作用,鸡粪减量率可达75%以上;而张晓林等(2021)利用亮斑扁角水虻幼虫转化鸡粪的研究中,减量率虽然只有41%,但虫体的粗蛋白(42.46%)和粗脂肪(27.82%)含量较高。

关于亮斑扁角水虻处理猪粪早在20世纪70年代已有报道(Newtonetal.,1977),近年来研究表明,猪粪的干物质减量率可达33%～55%(Zhouetal.,2013;Oonincxetal.,2015;Mirandaetal.,2019),营养元素及能量的回收率达到95%～103%(Parodietal.,2021),同时还可以减少转化过程中的温室气体排放(Chenetal.,2019)。但王小波等(2020)发现,以猪粪为基质进行生物转化后,亮斑扁角水虻幼虫虫体内Cd、Cr含量超出中国《饲料卫生标准》限值,在应用时须谨慎。

在牛粪上应用亮斑扁角水虻转化技术时,牛粪干物质的减量率可达26%～58.2%(Myersetal.,2008;Lietal.,2011;Rehmanetal.,2017)。亮斑扁角水虻可转化的禽畜粪便还有鸭粪(余峰等,2018)、兔粪(Tangaetal.,2021)、马粪(Moulaetal.,2018)、狐貉粪(齐淑新等,2022))以及人类粪便(Lalanderetal.,2019),但是在兔粪中饲养的虫体内存在致肠道生态失调的菌种。

1.2 亮斑扁角水虻生物转化餐厨垃圾

亮斑扁角水虻生物转化餐厨垃圾具有转化效率高、除臭除病菌及生态经济效益高等优点,是近年来餐厨垃圾资源利用的热点。在我国,尹靖凯等(2021)利用亮斑扁角水虻幼虫对餐厨垃圾进行生物转化,减量率可达76.2%,同时蛋白质(90.8%)与脂肪(71.5%)的转化率也较高。据统计,每吨餐厨垃圾(含水量80%)经亮斑扁角水虻幼虫生物转化后,可获得0.667 t(含水量70%)亮斑扁角水虻饲料,20 kg的油脂原料(柴志强和朱彦光,2016)。充分说明餐余垃圾是有机废弃物中较为理想的亮斑扁角水虻幼虫饲养底物。国外利用亮斑扁角水虻幼虫转化餐厨垃圾可达到40%～86%的减量率(Dzepeetal.,2021;Alaaeldin and Renault,2023)。

1.3 亮斑扁角水虻生物转化动植物残体

在禽畜尸体应用方面,杨燕等(2016)利用亮斑扁角水虻处理疫病致死猪的探究中,未在吞噬了病料后的虫体内检测到相应的病原微生物,初步证实了亮斑扁角水虻幼虫在病死畜禽尸体减量化、无害化处理中的可行性。同时,亮斑扁角水虻幼虫可以在含有非洲猪瘟病毒(African Swine Fever Virus,ASFV)的内脏中饲养,收获的虫体用作动物饲料时传播ASFV的风险很低,为养殖业瘟疫病、禽流感等提供了绿色高效的解决方案(Olesenetal.,2022)。

近年来提倡农作物秸秆还田,但普遍寄存于秸秆中的病菌和虫卵会加重土壤污染以及下茬作物的病虫害,合理、高效且环保的对秸秆进行利用,有利于治理环境污染及资源回收。Gao等(2019)的研究表明,亮斑扁角水虻幼虫可以生物转化经米曲霉发酵处理后的玉米秸秆,粗蛋白与粗纤维含量分别为41.76%与30.55%。Chen等(2019)认为玉米秸秆的加入改善了底物的空间结构,有利于细菌生存,同时影响有毒金属的迁移。Liu等(2022)的研究也证实了加入玉米秸秆相较于鸡、猪粪等底物,可提高对有毒金属的固定。另外,油菜籽秸秆与鸡粪混合饲养的亮斑扁角水虻幼虫虫体所制备的生物柴油具有更高的十六烷值和氧化稳定性,而且转化率可达到94.4%(Elsayed,2020)。

1.4 亮斑扁角水虻生物转化污泥废弃物

剩余污泥中有害物质较多,是其造成生态环境污染的主要原因之一,探索有效的生物处理方法极为迫切。Lalander等(2019)发现相较于其他的有机物质(兽用饲料、餐厨垃圾、禽畜粪便、动物内脏等),污泥的反硝化率与物质还原率最低,而且预蛹期长,蛹体也小,表明污泥不宜单独作为底物饲养亮斑扁角水虻。Raksasat等(2022)的研究结果认为,亮斑扁角水虻幼虫对污泥生物转化作用微弱的主要原因是存在于污泥中的胞外聚合物质(Extracellular polymeric substances,EPS)将其生长必需的营养物质锁住,使其无法吸收导致发育受阻。但有研究表明,污泥中掺杂不同比例的麦麸可提高亮斑扁角水虻幼虫生物转化能力进而可对污泥减量处理,污泥含量在60%时减量效果最佳(14.72%),且可降低Pb、Cd、Cr、Ni等重金属含量,经转化后的虫体重金属指标符合GB 13078～2001规定的含量,可作为家禽的混合饲料(魏亚茹,2020)。

1.5 亮斑扁角水虻生物转化残渣废弃物

残渣废弃物中一般含有发酵副产物、代谢产物、代谢副产物、抗生素及重金属等有毒有害物质(Guoetal.,2012),相比于物理与化学方法,生物降解法处理此类废弃物更为安全与高效。刘存成(2020)利用抗生素菌渣(土霉素)与豆粕饲喂亮斑扁角水虻幼虫的研究中,检测发现其肠道中的ARGs(Antibiotic Resistance Genes)、TRGs(Tetracycline Resistance Genes)和MGEs(Mobile Genetic Elements)丰度显著提高,其中TRGs可保证幼虫耐受高浓度的OTC(Oxytetracycline),从而实现其对土霉素菌渣的生物转化作用。亮斑扁角水虻幼虫对中草药渣同样具备生物转化作用,但处理后的虫体粗蛋白含量较低,仅有30.03%(王慧姣等,2021)。

2 亮斑扁角水虻转化效率的影响因素

亮斑扁角水虻幼虫对不同种类的有机废弃物都具有生物转化作用,但有机废弃物内复杂的理化性质及微生物组成同样反作用于亮斑扁角水虻幼虫,进而对其生长发育和转化效率产生影响。当饲喂的幼虫密度不同或者底物中混合着多种有机废弃物时,情况更为复杂。

2.1 底物中理化条件对亮斑扁角水虻转化效率的影响

在利用亮斑扁角水虻对有机废弃物进行生物转化时,适当调整饲养底物中的理化条件(如底物含水率、pH值和环境温度等)对转化效率有积极影响。

余玉麟(2022)通过单因素试验表明,底物的含水率对餐厨垃圾转化率有显著的影响。饲养底物的含水率是决定亮斑扁角水虻生长发育和生物转化效率的关键因素,在含水率为30%的底物中绝大部分亮斑扁角水虻幼虫无法存活,含水率为50%与70%的底物则会延长幼虫到预蛹的时间,而含水率在70%～80%时幼虫的生物转化效率最高(Lalanderetal.,2014;喻国辉等,2014;Matosetal.,2021)。尽管亮斑扁角水虻的抗逆性较强,但过高的盐浓度不利于其生长发育(姬越等,2018),pH偏低同样会影响其幼虫的养分利用(Brits,2017),pH为6～10的环境最适宜幼虫生长(Meneguzetal.,2018)。对于难以转化的污泥,改变其pH可以破坏EPS的网状结构,营养物质得以释放,促进幼虫生长发育(Raksasatetal.,2022)。

物理条件方面,最适宜亮斑扁角水虻生长发育的环境温度范围为27～30℃,黑暗与光照条件下亮斑扁角水虻幼虫都可正常生长,但无光条件有利于幼虫生长及沉淀脂肪,光照条件则有利于蛋白质沉淀(刘宏宇等,2015;Shumoetal.,2019;黄中佐等,2022)。此外,小分子类有机物质如碳水化合物等对于亮斑扁角水虻幼虫来说较为容易分解吸收,而大分子类有机物质如蛋白质和淀粉等则较难处理,对较大颗粒的有机废弃物进行粉碎处理后,有助于提高幼虫的消化能力(Brits,2017;任立斌,2020)。

对于规模较大的生物转化工厂而言,根据亮斑扁角水虻幼虫各项生理生化指标的适宜范围,可在对有机废弃物进行回收、分类以及转化等程序中做出相应调整,达到调配产出幼虫体内营养组分比例的效果,促进生态经济效益最大化。

2.2 混合型底物对亮斑扁角水虻转化效率的影响

单独处理有机废弃物时,转化效率往往较低,尤其在禽畜粪便方面(El-Dakaretal.,2021;Loganetal.,2021;Widyaswaraetal.,2022)。混合型底物的组合具有多样性,不同组合对幼虫转化效率的影响存在较大差异。将不同类型的底物混合饲喂亮斑扁角水虻不仅改善了对幼虫的负面影响,还可促进其对有机废弃物的生物转化作用(Rehmanetal.,2023)。

彭超等(2022)研究表明,将小龙虾废弃物与豆腐渣(4∶1)混合后饲喂亮斑扁角水虻,其幼虫存活率更高。花生麸与玉米粉营养水平高,掺杂到猪粪或鸭粪中饲养亮斑扁角水虻幼虫,可加速其生长发育,进而提升其生物转化率(徐齐云等,2014;马加康等,2016)。农作物秸秆还可与餐厨垃圾、猪粪等混合,通过改善底物空间结构来增加幼虫的取食量与转化率(许静杨等,2020)。Rehman等(2017)的研究同样表明,用不同比例的牛粪与鸡粪制备的混合饲料饲养亮斑扁角水虻幼虫可有效提高其对废弃物的处理能力。El-Dakar等(2021)则发现鹌鹑粪和羊粪混合配制的底物,可使转化后的虫体中获得较高的总蛋白(38%)和必需氨基酸(43%)。另外,利用微生物协同幼虫对有机废弃物进行共转化是近年来的新热点,研究表明枯草芽孢杆菌Bacillussubtills属于亮斑扁角水虻幼虫肠道微生物群,鸡粪中掺入枯草芽孢杆菌与幼虫进行共转化,鸡粪的减量率增加13.4%,虫体重量增加15.9%(Xiaoetal.,2018)。

在实际生产应用中可根据对亮斑扁角水虻幼虫营养组分的需求以及底物成本等因素,选取不同种类的有机废弃物进行组合,对其生物转化效率具有积极影响。

2.3 幼虫密度对亮斑扁角水虻转化效率的影响

幼虫密度作为影响生物转化作用效率的传统因素,在不同的底物中可以显著改变底物的pH和一些常见菌属的相对丰度,进而影响转化效率(Niuetal.,2022;Schrevenetal.,2022)。

适宜的幼虫密度不仅可以提高导电率和总有机碳降解率,对固定Cd、Cr、Cu、Zn也有较好的效果(Jiangetal.,2022)。以不同密度的幼虫对不同汞含量的餐厨垃圾进行生物转化时,幼虫密度与餐厨垃圾中汞的吸收量成正比关系(Attiogbeetal.,2019)。此外,转化效率还与幼虫密度、虫龄紧密相关,虫龄对整个生物转化过程的耗时有影响,而过多的幼虫密度则会在底物周围形成障碍,降低对底物的消耗速度,适宜的密度与虫龄可获得较好的转化效果(Liuetal.,2022)。Pintowantoro等(2021)发现,17 g 5日龄的幼虫每天能够处理0.7 kg的有机废物。在餐厨垃圾方面,投入100 g 7日龄的幼虫有较高的减量率和营养回收率(尹靖凯等,2021)。在转化禽畜粪便时,Matos等(2021)的研究发现在27 g的牛粪中投入300头4日龄的幼虫,对干物质、氮和磷等具有较好的减量效果;而字晓等(2020)的研究则认为在20 kg的牛粪中投入8 750头4日龄幼虫的效益最佳。

3 亮斑扁角水虻转化有机废弃物后虫沙的应用

有机废弃物经亮斑扁角水虻幼虫转化后的虫沙若无法妥善处理,势必造成二次环境污染与资源浪费。通过混合不同种类有机废弃物的手段调整虫沙中的物质组分,辅以对特定产品的肥料分析,可使其达到有机肥料的标准,再次利用。虫沙中的pH偏碱性,干物质和营养元素含量较高,合理施用可促进玉米、水稻、黑麦草等的生长(Beesigamukamaetal.,2020;Gärttling and Schulz,2021;Meninoetal.,2021;Wangetal.,2022)。

3.1 粪便经亮斑扁角水虻生物转化后的虫沙

禽畜粪便经亮斑扁角水虻幼虫处理过后无臭味、质地松软,可作优质有机肥(Lietal.,2011;Lalanderetal.,2013;Bortolinietal.,2020)。张晓林等(2021)的研究中,鸡粪经生物转化后重金属含量有小幅变化,有机质含量(59.9%)、总养分含量(10.58%)以及pH(8.41)等指标均符合《有机肥料标准》(NY 525-2012)。Liu等(2019)探究鸡粪、猪粪和牛粪堆肥效果的试验中,经亮斑扁角水虻幼虫处理后总磷、总凯氏氮和总营养素等养分指标显著提升,有机质降解率(20.31%～22.18%)同样得到改善,相比于对照组更适宜作为有机肥。另外,经转化后的虫沙可作有机肥的还有鸭粪,其中的总养分(≥5%)和有机质(≥25%)均符合生物有机肥标准(NY 884 2012)(余峰等,2018)。

3.2 餐厨垃圾经亮斑扁角水虻生物转化后的虫沙

在日常生活中,餐厨垃圾极易混入含有铅、汞等重金属的洗涤用品。研究表明,经亮斑扁角水虻转化后的餐厨垃圾底物中汞含量最低可降至4.09 mg/kg,符合大部分国家对堆肥中汞含量的最低要求(Attiogbeetal.,2019)。尹靖凯等(2021)则发现,餐厨垃圾中N(13.5%)、P(130.0%)、Na(92.9%)含量经转化后均显著提升,同时提高了虫沙的有机质含量(28.9%),达到有机肥料的限值标准。亮斑扁角水虻对餐厨垃圾中存在的其他重金属、营养元素等具有不同程度的吸收作用,但相较于粪便,餐厨垃圾中重金属来源较广、种类较杂,且转化过程中伴有新物质的产生,因此不宜直接堆肥。

3.3 残渣污泥经亮斑扁角水虻生物转化后的虫沙

残渣与污泥等物质中有机物含量较低,作为单一底物对亮斑扁角水虻幼虫进行投喂时很难达到其生长发育要求,常需结合禽畜粪便、餐厨垃圾及其他饲料混合饲养,因此虫沙中除了已转化的有机物含量外,其他的物质组成与原底物中残渣、污泥的相似度高,较为适宜应用于种植方面。研究表明,残渣经生物转化后的虫沙,有营养成分含量足、有机质降解率高等优点,可促进腐殖化进程,抑制土壤中的致病菌,遏制害虫侵扰,提升作物种子发芽指数(邓舟等,2021;张浩等,2022;Monikaetal.,2022;Abiyaetal.,2022)。此外,污泥与餐厨垃圾经亮斑扁角水虻幼虫转化后的虫沙,若直接农用可引起植物和土壤的毒性反应,经处理后其营养元素及重金属含量均符合有关标准,不仅可改善土壤结构,且安全性更高、毒性更小,适合用作农田肥料和非食用植物的种植肥料(魏亚茹,2020;Anjali and Surindra,2022)。

4 亮斑扁角水虻肠道微生物的功能

亮斑扁角水虻幼虫的肠道是其生物转化有机废弃物的主要场所,而肠道中的微生物群则是亮斑扁角水虻可对废弃物进行生物转化和产出高蛋白的主要功能因子,肠道微生物的组成受抗菌蛋白、pH和酶等的影响,来源则取决于幼虫的取食和生活环境(Rehmanetal.,2017;Goldetal.,2018;Zhanetal.,2020)。基质类型是肠道微生物群落组成的最强驱动因子(Schrevenetal.,2022),在大多数生物转化系统中,可以与幼虫相互作用的微生物群落主要是细菌,但也包括真菌、病毒、古生菌等,可能还有原生生物(Tangaetal.,2021)。研究表明,存在于亮斑扁角水虻幼虫肠道中的微生物群可分泌大量的酶,废弃物中的碳水化合物和蛋白质在酶的作用下分别被还原为单糖和氨基酸,脂肪则转化为脂肪酸及甘油三酯,被微生物或幼虫进一步利用(Kimetal.,2011;Carvalhoetal.,2012;Yuetal.,2022;王聪等,2022)。不同种类有机废弃物中肠道微生物的组成各异,调整饲养底物中的有机废弃物类型,可改变肠道微生物群的结构,进而影响亮斑扁角水虻幼虫的生物转化作用效果。

4.1 禽畜粪便中的亮斑扁角水虻肠道微生物

纪佳雨(2020)利用猪粪、虫沙作为底物饲养亮斑扁角水虻幼虫,结果共获得OUTs 1 480个,其中虫沙组共检测出30门49纲105目178科339属 515种838个OUT,相比于单纯饲喂猪粪组,虫沙返饲的亮斑扁角水虻肠道内及虫沙中微生物的多样性、相似性、丰富度、优势菌群均更高,表明肠道微生物对于亮斑扁角水虻幼虫生物转化作用起主导作用。将亮斑扁角水虻幼虫饲养于微生物多样性较高的禽畜粪便中,不仅可对肠道微生物群落进行优化,还可影响相关功能基因的表达。研究表明,饲养于粪便中的亮斑扁角水虻幼虫,其肠道可以减低底物内对人畜有害的病菌,比如大肠杆菌Escherichiacoli和沙门氏菌Salmonella(Lalanderetal.,2013;Elhagetal.,2022)。Wu等(2021)的研究发现,经亮斑扁角水虻幼虫处理后,存在于猪粪中的病原菌丰度显著降低(89%),并且幼虫体内与抗金属相关的功能基因如CutC、pcoC、cusR、zurR和zntB等明显增强。另外,可直接利用幼虫肠道的菌群对培养底物进行“改良”,“改良”后的培养底物可对幼虫阶段及其生物转化作用产生积极影响。何国宝(2010)将采自亮斑扁角水虻肠道及体表的枯草芽孢杆菌菌株接种至已灭菌的鸡粪中饲养亮斑扁角水虻幼虫,提高了亮斑扁角水虻预蛹重量和收获量,对干物质利用率及幼虫成活率也有提升作用,但在成虫寿命和体长等方面存在负面影响。

4.2 餐厨垃圾中的亮斑扁角水虻肠道微生物

江承亮(2018)在探讨亮斑扁角水虻幼虫肠道菌群对餐厨垃圾生物降解的影响机制中发现,幼虫降解有机物的能力是通过一个介于堆体菌群与肠道菌群之间的中间新生态位而实现的:在一些低丰度肠道菌调控下堆体菌群与肠道菌群入侵彼此生态位,进而促使新生态位形成;在代谢功能方面,堆体菌群接种亮斑扁角水虻幼虫后,肠道菌群可对堆体菌群进行“重新塑造”,亮斑扁角水虻堆肥组所测得的21种代谢功能中有11种代谢功能以及42.3%的功能基因显著高于对照组;而群落结构的改变则呈现先分离后靠近,逐渐相似的趋势。餐厨废弃物中的物质组分与理化性质复杂,使得底物中微生物在进入肠道前经历严格的竞争筛选,相较于禽畜粪便生物多样性下降,但代谢、抑菌以及消化等功能均有所提高。有研究报道,亮斑扁角水虻肠道环境具有低pH、多种蛋白水解酶与广谱抗菌物质并存的特点,使得堆体中的微生物与肠道微生物在强大的选择压力下大量消亡,微生物多样性下降,但益生菌比例提升而有害菌比例下降了(Goldetal.,2018;Bonellietal.,2019)。同时,姜慧敏(2020)发现亮斑扁角水虻幼虫肠道内可产生抑制大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌Salmonellatyphimurium的自身免疫因子;而金黄色葡萄球菌Staphylococcusaureu的灭活主要依赖于其肠道菌群的竞争性抑制,调节pH可增强肠道菌群的作用,提升免疫活性。对餐厨垃圾进行预处理,优化其理化环境或人为接种益生菌促进良性竞争,进而营造微生物群良好的生存环境,可有效提高亮斑扁角水虻对餐厨垃圾的生物转化能力。

4.3 发酵饲料中的亮斑扁角水虻肠道微生物

发酵饲料的处理工艺较为独特,所以对微生物测定方法的要求较高,目前在亮斑扁角水虻转化发酵饲料方面,鲜有关于肠道微生物的研究报道。此外,灭菌处理也会对微生物的种类有一定影响,使得不同种类肠道菌群所对应的酶活性发生变化,进而影响亮斑扁角水虻幼虫的转化效率。康凌宇(2021)利用实时荧光定量PCR技术测定菌量在发酵过程中的变化情况时,发现饲料中的优势发酵菌种为植物乳杆菌Lactobacillusplantarum,且混菌发酵的菌群生长环境比单菌发酵更为复杂,生长情况因菌种的不同而不同。徐健(2016)在利用发酵饲料对亮斑扁角水虻消化酶活性和肠道菌群的特征研究中,发现经灭菌处理的饲料对幼虫消化酶活性无影响,但会使幼虫肠道菌群的种类数量下降;而对幼虫进行消毒处理后,其淀粉酶活性有所下降。

4.4 其他废弃物中的亮斑扁角水虻肠道微生物

近年来借助分子技术,在亮斑扁角水虻转化各种废弃物过程中微生物的动态变化得以精细测定与追踪,进一步证实了主要功能场所为亮斑扁角水虻幼虫肠道,且其中的微生物组成对幼虫的代谢功能起主导作用。刘存成(2020)的研究发现,许多发生于昆虫肠道中的代谢反应并非通过其自身的基因组编码,而是由其肠道微生物群的元基因组编码的,并且亮斑扁角水虻幼虫降解抗生素的过程主要在其肠道内完成。同时,Zhan等(2020)发现并证实了饮食或时间点非相关的 16个操作分类单元(OTUS)微生物是与亮斑扁角水虻消化有机废弃物相关的核心微生物群。

经肠道、酶、抗菌蛋白筛选后的微生物群,在幼虫体内时可增强其消化吸收营养物质的能力及免疫能力,而排放后则可调整虫沙中生物多样性,从而抑制病原体生长(Brunoetal.,2019)。邹修为(2020)测定了亮斑扁角水虻在转化4种不同类型底物(猪粪、豆渣、鸡粪、淤泥)时肠道微生物中菌株Y4-39的抗菌活性,发现其对辣椒白绢病菌Sclerotiumrolfsii和辣椒疫霉菌Phytophthoracapsici具有很强的抑制作用,并且各基因簇(羊毛硫肽、芬枯草菌素、地非西丁、萜类物质等)关键基因的表达量都相对较高,表明其能产生多种具有抑菌活性的物质。另外,有研究在亮斑扁角水虻肠道中分离并鉴定出枯草芽孢杆菌属、BSF-CL菌属,对于小麦纹枯病病原菌Rhizoctonia、水稻黄单胞菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae和金黄色葡萄球菌等多种有害菌有较为显著的抑菌效果(喻国辉等,2010;周定中等,2012;Hyung Choi and Jiang,2014)。尽管已明确主要功能场所位于亮斑扁角水虻肠道,但对其筛选机制的探索目前仍处于空白,肠道菌群种类、可抑制的病原菌与病毒种类尚未完全清晰,抑菌的活性物质及其操控基因方面亦有待进一步研究。

5 总结与展望

综上所述,亮斑扁角水虻幼虫生物转化有机废弃物的范围广泛,转化后的虫体及虫沙应用价值高,可有效缓解环境污染和资源浪费等问题,助力实现“一控、两减、三基”目标。但此项应用技术仍处于起步阶段,面临着诸多问题和挑战。

5.1 底物类型与理化条件

亮斑扁角水虻幼虫对禽畜粪便与餐厨垃圾两类有机废弃物的转化率均可达到70%以上,但均是建立在添加外源饲料的基础上,对残渣污泥等的转化能力较弱,甚至无法单独转化。首先,应探明亮斑扁角水虻无法单独转化的有机废弃物类型以及其中可添加的物质与比例;其次,探讨两种或以上的有机废弃物混合对转化率的提升效果,如禽畜粪便的混合转化;再次,进一步明确亮斑扁角水虻幼虫在混合型底物中生物转化的生理生化指标,形成一套规模化生产的最佳参数,实现转化率的提高。

5.2 肠道微生物作用机制

近年来大量研究从微观层面表明亮斑扁角水虻幼虫生物转化作用的主要场所在其肠道,主要功能因子为肠道中的微生物群,但受限于肠道分离技术,对其中的作用方式与免疫机制尚不清楚。随着分子技术的不断发展,此领域未来的研究应以肠道微生物为主,完善群落结构版图,探明其降解重金属与促进酶类、抗菌物质合成的机制,以期使有益菌定殖于肠道内,促进生物转化作用。此外,对病死禽畜尸体内病原菌的消灭效果及其机制研究较少。

5.3 虫体的应用与安全性

亮斑扁角水虻的虫体富含蛋白质和脂肪,开发空间巨大,应加大其高附加值产品的研发力度。同时,虫体中富含的抗菌肽可作为抗生素替代品是目前的研究热点,阐明抗菌肽的耐药性、分泌特征与抑癌作用较为迫切。有研究表明亮斑扁角水虻虫粉掺入饲料中喂养肉鸡,不仅可降低成本,提升产量,还可加强肉鸡的免疫能力,有效降低病毒病发病率与死亡率(Zhangetal.,2021)。探究饲料中添加虫体对饲养对象预防疾病的能力与治疗效果,以及适宜的添加比例。另外,幼虫阶段转化的有机废弃物中含有病菌、病毒、农药及重金属等,在饲料、食品和医药方面应用时须进行检测、杀菌和消毒,提高安全性。

5.4 政策引导与市场推广

亮斑扁角水虻转化废弃资源的技术近三十年来才得以快速发展,相关的立法滞后于发展。近些年来基础研究的成果不仅助推立法,也获得了市场认可。在欧美地区,通过新食品立法允许食用昆虫消费合法化,由特定底物饲养的亮斑扁角水虻可适用为鱼类饲料的动物蛋白源(Chenetal.,2019;Gascoetal.,2020;Van Huis,2020)。在我国,生活质量的提升促进饲料蛋白需求逐年增加,然而蛋白质资源紧缺,近七成的大豆和鱼粉依赖于进口(郝建伟等,2022)。

基于我国国情,农业农村部出台《饲料中玉米豆粕减量替代工作方案》等相关政策,对有机废弃物资源化处理的同时提高畜牧业优质蛋白质饲料的自给率(高鹏翔等,2023)。一方面,应出台相应政策,制定行业标准,加强监管力度,提高社会面对有机废弃物分类的关注度,鼓励对餐厨垃圾、禽畜粪便、动植物残体、工业残渣污泥等进行集中化正规化处理;对有机废弃物资源化处理的企业减税,转化产品代销,形成良性闭合产业链,从政府与市场方面反向助推亮斑扁角水虻基础研究。另一方面,农业部门结合我国实际情况投入专项经费,助力科研院所与团队攻关此项应用技术的疑难问题;并成立地方产业研究院,促进科研成果转化,带动行业良性发展。