黑水虻虫沙在肥料应用中的研究进展

强敬雯， 王晚晴，2， 唐曼玉， 武双，2， 华威，2， 朱欣悦， 程艳玲，2*

（1.北京联合大学生物化学工程学院，北京 100023； 2.北京联合大学生物质废弃物资源化利用北京市重点实验室，北京 100023）

2050年全球预计将产生267亿t废弃物，其中，有机废弃物占比高达44%，且常用处理方式为填埋（37%）和焚烧（33%）[1]。然而，这类处理方式会增加温室气体（greenhouse gas, GHG）排放量，GHG释放到大气中，导致有毒化合物和渗滤液中的营养物质对水源、土壤等造成污染，从而对环境构成严重威胁[2]。同时，世界人口的增长不仅会产生更多废弃物，还需大幅增加全球粮食产量，但自然条件下产生的植物所需营养物质日渐枯竭，且传统化肥不仅会造成土壤有机质和腐殖质缺乏、作物品质下降，还易导致农产品中硝酸盐含量超标，从而危害人体健康。因此，必须寻求更安全有效的废弃物处理方法，在确保宜居性的前提下，减轻社会经济压力和环境影响[3]。

黑水虻（black soldier fly, BSF）生物转化有机废弃物技术是一种可持续性资源化处理方式，其可将有机废弃物转化为2种产品：富含蛋白质和油脂的幼虫，可作动物饲料[4]；以及在此过程中产生的虫沙，可作有机肥料[5]。Salomone等[6]指出，虫沙是黑水虻幼虫（black soldier fly larvae, BSFL）处理有机废弃物过程的主要产出之一，它可作为有机肥来改善土壤性状，提高作物产量和品质，从而替代部分传统氮肥，降低全球变暖潜力，且BSFL虫沙在用水量、能源支出、全球变暖潜力等方面比生产其他有机肥料对环境的影响更小，这意味着BSFL虫沙在饲料和食品应用方面具有很强的潜力，将虫沙应用于农业有望成为解决植物营养物质短缺的备选方案。然而，目前研究更多的侧重于提高BSFL在处理有机废弃物过程中获得的幼虫生物量，在虫沙的使用及其在农业方面应用的研究较少。本文综述了BSFL处理有机废弃物后所得虫沙的特性及其应用，介绍了与BSFL虫沙相关的知识，并强调了使用虫沙作为补充剂改善植物营养和土壤肥力的优势所在，为应用BSFL作为低成本替代方案的可行性提供了参考。

1 黑水虻资源化处理有机废弃物

有机废弃物具有较高的有机质含量和营养成分，是回收后重新引入其他生产链的宝贵资源。BSFL可降解75%（（干重，dry matter, DM）的鸡粪，并将其转化为任何形式的增值产品，且使用相同废弃物作基质时，其转化过程中产生的GHG排放量不到好氧堆肥的2.5%[7]。因此，BSFL处理有机废弃物后所得产品（幼虫生物量和虫沙）不仅在环境和经济上具有可持续性，还有助于推动循环生物经济。

1.1 黑水虻转化有机废弃物及碳氮回收过程

BSFL在快速减废方面能力卓越。有研究表明，使用BSFL单独处理厨余垃圾、牛粪和猪粪的废弃物减少量分别为68%、58%和56%（DM）[8]。然而，Surendra等[9]发现，废弃物消耗量与其自身特性高度相关，且使用多种废弃物作混合基质比单独使用某类废弃物作基质时的减少量有明显提升。Lopes等[10]发现，用面包和水产养殖废物的混合物喂养BSFL时，总氮损失有效减少34%。这可能是由于BSFL堆肥时的pH较低(5.7～6.8)，改变了NH+4和NH3间的平衡关系，促进了NH3向NH+4转化，从而减少了NH3挥发[11]。Pang等[12]也发现，用不同pH的厨余垃圾和稻草混合物喂养BSFL时，总氮损失在2.1%～30%，且pH较低时NH3挥发量有所减少，而总碳减少量在10%～24%，其中大部分碳以CO2形式损失，小部分以CH4形式挥发。也有研究表明，氮元素大部分以NH3形式流失到大气中，少量以N2O形式散失[13]。CH4的生成取决于BSFL堆肥过程中饲料基质类型及其含水率，含水率越高CH4排放量越高。然而，磷和钾在生物可降解物质中主要以不溶形式存在，因此这些元素不会挥发丢失。对此，Parodi等[14]用商业饲料（47%酵母浓缩液、47%马铃薯淀粉和6%粘合剂）喂养BSFL并评估了系统中碳、氮、磷和钾的总排放量，发现约57%的碳最终转化为粪便，20%转化为幼虫生物量，24%以CO2的形式挥发流失；最终，62%的氮保留于虫沙中，38%被幼虫回收，且氮损失大于总氮含量的1%。然而，若在CO2达到峰值前关闭系统，即可有效避免氮损失。另外，在添加底物过程中，分批补料比一次性补料的生物转化率更高，但可能会增加排放量计算模式的复杂程度[15]。

此外，幼虫含量、饲料添加量和取食策略等工艺技术参数对整个工艺效率及排放量有很大影响，这些工艺参数决定了BSF的数量、大小以及GHG总排放量[16]。同时，虫沙的后处理也是导致GHG排放的主要原因。研究表明，虫沙在自然条件下进行二次堆肥，其最初存在的碳有49%以CO2的形式排放，但对其实施强制曝气可使CO2排放量下降至29%，且分别减排了72.6%～99.9%的CH4和99.6%～99.9%的N2O，故好氧条件有利于减少虫沙在后处理过程中的GHG排放[17]。总而言之，BSFL技术所产生的环境影响主要由废弃物类型、处理过程（工艺参数和投料方式）、后处理策略和处理时间几项因素决定。

1.2 不同有机废弃物对虫沙产量的影响

使用理化特性不同的有机废弃物饲养BSFL所得虫沙产量不同，适宜的底物基质可有效提高固废减少率。研究表明[18]，饲料基质的减少率并不等同于虫沙生产率。Lalander等[19]用厨余垃圾、禽畜粪便、人类粪便和家禽饲料喂养BSFL时，虫沙总产量分别约占投喂总量的45%、40%、52%和15%（DM）。然而，评估虫沙产量应与其他工艺参数相结合，以判断该工艺是否将虫沙与未消耗底物进行有效分离，从而影响试验结果的准确性。因此，虫沙的有效生产率应与生物转化率、底物消耗率和最终幼虫重量等工艺参数一起评估。表1总结了不同有机废弃物饲养BSFL的虫沙产量。

表1 不同有机废弃物饲养BSFL的虫沙产量［13-18］Table 1 Frass yield of BSFL fed with different organic wastes［13-18］

2 虫沙特性

2.1 营养成分

BSFL虫沙的营养成分组成与其饲料类型相关。Setti等[20]使用家蝇专用饲料喂养BSFL，所得虫沙中氮、磷和钾含量分别为44、52 和41 g·kg-1；Klammsteiner等[21]分别用鸡饲料、草废料和果蔬废料喂养BSFL，所得虫沙中氮含量在18.3～25.9 g·kg-1。经统计，进食不同有机废弃物的BSFL虫沙中总碳和总氮含量变化不大，分别在37%和3%左右，而总磷（1%～5%）和总钾（0.5%～4.1%）含量差异显著[22]。此外，微量元素也随基质的不同而变化，但pH（7.5左右）和碳氮比（C/N，约为15）变化较小。相关研究表明[23]，仅喂食碳水化合物（面包废料）的BSFL，其虫沙中氮含量为15.2 g·kg-1，而添加少量富含蛋白质的鱼内脏(5%～15%)后，其营养含量可从18.4 g·kg-1增加到23.8 g·kg-1。因此，调整BSFL饲料类型可获得不同营养成分的最终产品。

Palma等[24]用不同含量水平的杏仁壳喂养BSFL，虫沙中氮、磷和钾含量分别为12.3～22.3、17.9～44.6和0.22～0.82 g·kg-1，这是由于不同含量基质中碳水化合物、蛋白质和纤维含量不同，而高水平糖、淀粉和蛋白质与低水平纤维有利于营养物质在虫沙中积累，使得各元素含量有所差异。Sarpong等[25]用不同含量水平的城市固体废弃物喂养BSFL，发现幼虫体内氮、磷和钾含量大幅增加，虫沙中各营养元素水平分别达到4.8、0.9和0.6 g·kg-1，这可能与基质中干物质含量随着时间推移而减少，以及幼虫在此过程中排出的微生物有关。此外，钾、镁、锰和铜等元素通常以低水平存在于BSFL虫沙中，钾含量一般低于其他主要营养物质，且不易回收。Song等[26]用秋葵和麦麸混合物喂食BSFL，产生虫沙中的氮、钾含量分别为47.80和0.98 g·kg-1；Beesigamukama等[27]用啤酒废谷物喂食BSFL，其虫沙中氮、磷、钾含量分别为21.0、11.6和1.7 g·kg-1。因此，虫沙中氮、磷含量由底物基质类型决定，而钾含量与其相关性不大。

2.2 稳定性

堆肥腐熟度和稳定性是判断有机肥能否施用的重要指标。若堆肥后产物缺乏稳定性或植物毒性过高会阻碍土壤有机质降解和营养物质矿化，使得养分无法在土壤中被根系同化，从而导致植物负营养异常[28]。因此，需选择适宜BSFL生长的有机废弃物作为基质或对其采取后处理措施，以提高产物稳定性，最终达到生物肥料标准。

Alattar等[29]将以厨余垃圾为基质产出的BSFL虫沙与土壤以1∶2进行混合，栽培玉米10周后发现植物生长受阻，可能是由于混合基质中铵含量过高，产生大量氨气或亚硝酸气导致基质酸碱失衡，进而影响作物生长。当用BSFL处理鸡、猪和牛粪时，Liu等[30]通过种子发芽试验发现，鸡粪组植物毒性最高，而其他组虫沙较为稳定，电导率低，萌发指数更高。这可能是由于鸡粪导电性强，且NH+4-N水平较高，导致其产物不成熟，但对其进行进一步堆肥可起到有效改善。然而，Xiao等[31]发现，以接种了枯草芽孢杆菌的鸡粪为基质产生的BSFL虫沙作肥料时，大白菜和油菜种子所含植物毒性水平随时间推移而下降，且BSFL处理13 d后的虫沙作肥料时发芽指数可达66%以上。相关研究也表明，用麦麸、苜蓿草粉和玉米粉作为BSFL饲料基质时，莴苣种子的发芽指数超过70%，且不存在植物毒性，但较老植株在高水平虫沙中生长情况较差[32]。

此外，还可通过C/N评估虫沙在土壤中的稳定性和性能。为避免土壤中某些矿物质被固定，导致生长不良，化肥的C/N一般控制在20～40。然而，虫沙的C/N因饵料不同而存在一定差异，且一般低于BSFL生长所用的饲料基质[25]，BSFL堆肥可使生活垃圾和杏仁副产品的C/N分别从48和73下降到17和20。Beesigamukama等[33]认为，用于BSFL生长的饲料基质C/N应在15～30，以便产生稳定的、无毒的虫沙。

腐殖质的形成是判定堆肥稳定性和成熟度的关键指标之一，但腐殖质与BSFL处理有机废弃物的关系尚未明确[34]。相关研究表明[35]，对BSFL虫沙进行8周好氧堆肥后，其营养含量和稳定性有所提高，表明堆肥中形成了腐殖酸和其他代谢物。此外，其他生命周期长于BSFL的昆虫物种（蚯蚓、粉虫）可加速生物可降解材料中有机物的稳定[36]，若将虫沙用于蚯蚓堆肥有望提高其稳定性并产生丰富的营养物质。同时，将虫沙用于厌氧消化生产沼气在经济上具较强的可行性。因此，上述方法均可作为虫沙的后处理方案，以便在提高堆肥稳定性和成熟度的同时推进生物循环经济的可持续发展。

2.3 微生物组成及其作用

2.3.1 微生物组成 虫沙中微生物的组成及其改变土壤微生物菌群的能力是将其应用于农业的重要考察点[37]。目前，农业生产高度依赖于化肥，长期使用会恶化农田土壤肥力[38]。而有益微生物可提高土壤养分利用率、抵抗非生物胁迫，从而促进植物生长[39]。已有研究表明[40]，虫沙中所含假单胞菌属、芽孢杆菌属、农杆菌属等20多个种属可作为植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)，在改善土壤质量、植物性能和作物产量，尤其在提高作物生产力、刺激植物生长及抑制病原体等方面发挥着重要作用。此外，BSFL可显著抑制有机废弃物中的沙门氏菌和大肠杆菌[41]。Erickson等[42]使用BSFL处理鸡粪后，发现肠道沙门氏菌减少了4 logCFU·g-1，大肠杆菌减少了5 logCFU·g-1。另有研究报道[43]，BSFL可使人类粪便和猪粪混合物中沙门氏菌显著减少(＞7 logCFU·g-1)，但未发现耐热大肠菌群失活。因此，BSFL虫沙的微生物成分可使农业系统更具可持续性。

Wynants等[44]研究表明，BSFL虫沙中微生物组成与幼虫饲料基质相关。用家庭有机垃圾喂养的BSFL，所产虫沙中微生物组成与其他肥料（牛、马和禽粪）作基质时不同[45]，乳酸菌、芽孢杆菌、放线菌和假单胞菌等益于植物生长的孢子虫属和棒状杆菌丰度较高，但变形菌门的存在可能导致植物患病，且病原菌和真菌同时存在可能会对农业构成一定风险。因此，为避免交叉污染，若干全球立法禁止在农田中施用沙门氏菌、大肠杆菌、耐热大肠菌群等微生物超标的化肥。然而，BSFL在处理某些生物污染物（蛔虫卵）和真菌衍生污染物（黄曲霉毒素）时，其含量虽低于我国现行饲料卫生标准（10～50 g·kg-1），但毒素仍存在于粪便和幼虫生物量中，无法根除，这可能会在农业使用中存在安全隐患[46]。因此，后续研究不仅要保证BSFL虫沙的生物稳定性，还需灭活其中所含的化学和生物污染物。

2.3.2 微生物对植物的促进作用 生物活性物质会对根际土壤产生刺激作用，并增强植物新陈代谢功能，从而在整体上促进植物生长[47]。Poveda等[48]发现，BSFL虫沙是生物活性物质的良好来源，其在可持续农业实践中的作用如图1所示[49]。Schmitt等[50]报道，BSFL虫沙中的腐殖酸在代谢过程中会与土壤微生物相互作用，从而释放生长素和细胞分裂素等生物刺激素[51]，以降低生物和非生物胁迫对植物新陈代谢的影响，进而改善其生理机能。因此，腐殖酸代谢会在一定程度上促进虫沙中生物刺激素的形成。然而，目前对于虫沙中生物刺激素的相关研究尚未完全明确。Antonov等[52]研究发现，使用1%虫沙水浸提取物作橡胶树生物刺激素时，松树脂产量提高了20%，但并未对虫沙中的营养成分或生物活性物质进行描述，仍需进一步探究BSFL虫沙中的微生物组分特征。

图1 黑水虻虫沙在可持续农业中的作用［49］Fig.1 Role of black soldier fly frass in sustainable agriculture［49］

此外，植物生长促进微生物（plant growthpromoting microorganisms, PGPM）能调节植物中的多种代谢功能和生理机制，以提高其营养吸收效率、非生物胁迫耐受性和作物品质[53]。Poveda等[54]研究表明，BSFL虫沙中所含微生物可能具备这种能力，其中多种芽孢杆菌会产生生长素（促进生长并增加耐旱性）、细胞分裂素（刺激根系分泌）、茉莉酸（诱导耐盐胁迫）、赤霉素（提高种子萌发率、增强营养代谢、调节内源植物激素、诱导耐热性）等对植物有益的生长激素。尽管与化肥相比，虫沙中矿物质含量相对较低，但其所含生物刺激素和PGPMs种类丰富，仍然可为植物带来固氮、增磷和增钾、生长素生产等多重效益。

3 虫沙对植物生长的影响

3.1 单基质对虫沙应用于植物生长的影响

Choi等[55]将以厨余垃圾为基质产出的虫沙与一种营养成分相似的商业肥料进行对比，发现施用虫沙的植株除了对磷的吸收率较低外，氮、钾、有机质以及植株的叶片数量、叶长、叶宽和养分积累量均相近。Chirere等[56]对BSFL虫沙进行了4 d短期堆肥，结果显示，瑞士甜菜的生长速率高于未施肥组，且与无机氮磷钾肥料生长情况相似。同样，Quilliam等[57]将以家禽粪便、啤酒厂废物和绿色废弃物为基质生长的BSFL虫沙作为种植玉米、辣椒和青葱的肥料，结果发现，单独使用3种BSFL虫沙（2.5～10.0 t·hm-2）时，植物生长状态均与施用鸡粪相似，将其与氮磷钾肥料混合使用时植株生长状态更佳。

3.2 混合基质对虫沙应用于植物生长的影响

Alattar等[58]使用虫沙与土壤质量比为1∶2的混合物作玉米植株肥料，发现其对植物生长的负面影响（矮小或叶片少）高于厨余垃圾肥料，这可能是由于虫沙中高水平的氨造成的。Gärttling等[59]将BSFL处理有机废弃物的3种副产物（粪便、幼虫皮和死成蝇）与土壤混合后作为玉米植株的土壤改良剂进行了盆栽试验，发现三者氮用量为180～215 kg·hm-2，P2O5用量约为75 kg·hm-2，与其他副产物和商业肥料相比，它们在干物质产量、叶面积和养分利用效率等方面均处于劣势。其施肥性能差的原因可能是由于粗粒肥以磷为主，且不具备促进某些作物生长的最佳营养成分。然而，Houben等[60]将虫沙堆肥112 d，并将其在番茄、羽衣甘蓝和法国豆角中的施肥潜力与商业有机肥料和化肥等其他土壤改良剂在温室和田间条件下进行比较，发现与未施肥和施用单一肥料组相比，虫沙与氮磷钾肥料混合组在植株生长、作物产量、氮吸收和养分利用效率方面效果最佳。此外，单独使用虫沙堆肥也对以上3个物种起到了促进作用，这可能是由于虫沙堆肥增强了有益微生物对土壤性质和作物产量的提高效应。

3.3 虫沙碳氮含量对植物生长的影响

Chiam等[61]使用以秋菜籽为基质，且含量不同（10%、20%和30%）的BSFL虫沙作为莴苣肥料，发现粗渣中含有高水平氮(50 g·kg-1)、磷(0.3 g·kg-1)和钾(2 g·kg-1)，这种非预期生长反应可能是低C/N（7.2）使得土壤中养分迅速矿化所致。Rummel等[62]将氮剂量为170 和510 kg·hm-2且来源不同的BSFL虫沙应用于淋溶土中，发现虫沙C/N较低时氮的矿化和固持作用较强。此外，碳和氮的矿化动态与喂养BSFL的基质质量高度相关，在此过程中微生物代谢是氨氮的主要来源，故虫沙中铵氮含量直接决定了土壤中氮矿化率和固持率[63]。因此，施用虫沙后土壤中大量的碳和氮会导致N2O排放升高，从而减少土壤有机碳的固存，使得虫沙的碳足迹可能高于预期。然而，由于土壤成分及其行为较为多变，至今为止虫沙的肥力仍未被完全开发。

3.4 虫沙施用量对植物生长的影响

Kawasaki等[64]研究表明，BSFL虫沙施肥量较高（1/10）会使芸芥患黄叶病，但当施肥量为土壤量1/30～1/20时可有效促进其生长。有研究比较了3龄幼虫在自然堆肥和好氧堆肥下对白菜生长的影响，发现新鲜虫沙施用率超过10%会导致白菜发育不良，并减少了生物量生产；然而堆肥5周后，使用含量高达40%的虫沙可有效促进其生长，表明虫沙在施用前是否达到稳定状态至关重要[65]。相反，Menino等[66]发现，BSFL虫沙含量需达到黑麦草总氮需求量的25%～150%，才可使其稳定生长。此外，虫沙中有机质、P2O5和K2O对于提高土壤肥力具有正面促进作用，表明虫沙作为生物肥料有望代替传统化肥，但需进一步探讨植物生长所需的适宜施用量。

3.5 黑水虻幼虫及虫沙可作动物饲料和生物肥料

Hamid等[67]指出，BSFL中富含的甲壳素使其具有防治动植物病害的能力，这种生物防治特性可减少全球农业对杀虫剂的依赖。BSFL蛹壳中所保留的甲壳素能够破坏线虫卵壳和植物病原真菌细胞壁，从而对其产生抑制作用。因此，向土壤中添加富含甲壳素的物质时，可能会促进几丁质分解菌的形成，进而使真菌和线虫丧失活力。有研究调查了BSFL中甲壳素在实际应用中的益处，Vilela等[68]发现BSFL作饲料对肉鸡的免疫系统具有正向调节作用；Kroeckel等[69]研究表明，使用BSFL喂养的比目鱼生长性能明显高于对照组，这可能是由于甲壳素促使BSFL增大了进食量，从而加快了其生长速率和营养吸收能力，进而提高其机体的免疫功能。因此，BSFL及虫沙中的甲壳素不仅能有效清除土壤植物系统中的真菌病原体和其他害虫，且使用其作饲料还可提高养殖产品质量。

BSFL虫沙中植物营养素丰富，将其用作生物肥料不仅能增加土壤中有机物水平，还可提高植物有效养分比例。Beesigamukama等[70]将堆肥5周的虫沙添加到强淋溶铁铝土中，发现其在30～60 d内均处于稳定状态，随后土壤中氮、磷、钾的释放量均明显高于未施肥组，表明虫沙中的营养物质发挥了矿化作用。然而，虫沙中营养物质的固定和矿化作用高度依赖于自身C/N、生物稳定性等特性因素。总结不同来源BSFL虫沙的化学属性（表2）后，发现虫沙组分与其基质间的差异导致了最终产物在土壤中的多变性。

表2 不同有机废弃物饲养BSFL所产虫沙的化学属性［67］Table 2 Chemical attributes of frass derived from BSFL with different organic wastes［67］

4 展望

BSFL虫沙作有机肥料对促进农业可持续发展具有巨大潜力，其产品可推动全球绿色（农业、园艺、生态恢复）和棕色产业（土壤健康、土壤肥力、侵蚀管理）加速发展，有利于实现“双碳”目标。然而，虫沙中磷、钾和微量元素的水平高度依赖于饲料基质，且无法作为喜磷作物的最佳肥料，但将其与氮肥按适当比例混合施用即可做到平衡施肥。此外，由于饲料基质和快速堆肥过程中的有毒有害物质会降低BSFL虫沙生物稳定性，故需对其采取混合堆肥、高温堆肥、蚯蚓堆肥或用作粉虫饲料等后处理措施，才可减少植物毒性并促进腐殖质形成，使其达到高度稳定状态[71]。但目前对于BSFL转化有机废弃物过程中腐殖酸、黄腐酸、植物激素、短链蛋白和氨基酸的物质形成及PGPMs对BSFL作用机制的调查还不全面，仍需进一步研究，以开发生物活性物质和有益微生物在此过程中的积极作用，从而推动BSFL虫沙成为循环生物经济产品，进而实现有机废弃物的资源化利用，最终达到环保与经济双赢的“双碳”目标。