畜禽糞便處理的優(yōu)質(zhì)昆蟲黑水虻

摘要綜述了黑水虻在畜禽糞便處理中的應用、飼養(yǎng)技術以及其營養(yǎng)價值評估等，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定新型的理論基礎。

關鍵詞黑水虻；畜禽糞便；生物量

中圖分類號S185；Q969.093文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）24-08180-03

High Quality Insect for Animal Manure Treatment—Hermetia illucens

CHEN Jie， ZHAO Xiangjie et al（Institute of Sericulture and Agricultural Products Processing， Guangdong Academy of Agricultural Sciences， Guangzhou， Guangdong 510610； Shanghai Normal University， Shanghai 200234）

AbstractThe application of Hermetia illucens in animal manure treatment， raising technology and nutritional value evaluation was reviewed， which will lay a new type theoretical basis for agriculture sustainable development.

Key wordsHermetia illucens； Animal manure； Biomass

昆蟲是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的生物類群，在自然界中已知的昆蟲種類大約有100萬種[1]，其中只有3 650種左右為可食用昆蟲，包括還未開發(fā)利用的潛在昆蟲資源[2]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織預言這些昆蟲在未來的全球饑餓和變暖問題將起到重要的緩沖作用，并大力呼吁開發(fā)昆蟲資源。近年來，隨著昆蟲資源的不斷發(fā)掘和利用，昆蟲產(chǎn)業(yè)逐漸與種植業(yè)、畜牧業(yè)等結合形成良好的生態(tài)發(fā)展模式，如制備成蟲茶[3]或者加工成飼料蛋白[4]，構建獨特的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

我國養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，大量的糞便堆積或處理不當，對周圍環(huán)境造成了嚴重污染，以前堆肥歸田或沼氣發(fā)酵在一定程度上能緩解畜禽糞便和能源壓力，但也受季節(jié)等因素的影響而難以有效控制日益劇增的糞便生產(chǎn)量[5]。昆蟲業(yè)的發(fā)展使人們開始探索其中能將這些廢棄物轉(zhuǎn)化成高附價值產(chǎn)物的途徑。目前已有報道的有蠅蛆和黃粉蟲等能以動物糞便為食的昆蟲，并在處理糞便中有了初步的應用[6-7]。其中，亮斑扁角水虻（Hermtia illucens）俗稱黑水虻（Black soldier fly），近些年來已被確認是一種重要的資源昆蟲，它們能夠轉(zhuǎn)化畜禽糞便，并用于生產(chǎn)動物飼料，還能減少環(huán)境污染和緩解動物蛋白飼料供應緊張等問題。黑水虻的生活習性并不象家蠅一樣會攜帶大量細菌闖入并影響人類的居住環(huán)境，容易飼養(yǎng)且成本要低于其他取食糞便類的昆蟲，由此得以引起人們的關注并進行推廣和生產(chǎn)。我國有大量的水虻分布，但對于黑水虻資源的開發(fā)利用相比國外起步要晚，對于相關的研究和應用生產(chǎn)也較少。筆者對黑水虻的資源化開發(fā)與應用以及其飼養(yǎng)技術進行了綜述。

1黑水虻

水虻科（Stratiomyidae）昆蟲是雙翅目短角亞目（Diptera：Brachycera）中一個較大的科，根據(jù)同源性狀分析和核苷酸分析，可將水虻科與木虻科、大虻科、臭虻科、食木虻科設為姐妹關系[8-9]。目前已知該類群有3 000余種，廣泛分布于世界各地，尤其在熱帶和亞熱帶地區(qū)較為豐富。我國水虻分布種類超過250種，目前還有大量的未知種類，主要集中在華中、華南和華北地區(qū)，占我國水虻總分布的90%以上。

其中，黑水虻是目前研究較多的水虻科昆蟲資源。大多數(shù)黑水虻胸部和腹部為金黃色，且腹部背板與第3～5腹板具有大塊橢圓形黑斑；頭部半球形；從復眼到腹末長14.0～23.0 mm，雄蟲平均體長（18.6 mm）要稍大于雌蟲（17.3 mm）；復眼黑色，占到整個頭部的2/3。黑水虻幼蟲呈蛆狀、扁平無足，身體除頭部外可分為11節(jié)，頭略尖。低齡幼蟲為白色，隨著成長顏色的逐漸加深。幼蟲在食物周圍不斷遷移，常常大量聚集在食物附近，具有避光性。黑水虻幼蟲的生長發(fā)育可分為6個不同齡期，到第6齡則為預蛹，一般認為這個時期的幼蟲不再進食，而是爬出飼料尋找化合適的化蛹場所[10]。

黑水虻的棲息范圍和取食譜都十分廣泛，在潮濕的淤泥以及各種動植物的殘體中都會發(fā)現(xiàn)有幼蟲聚集，以多種腐熟質(zhì)為食，成蟲常在其幼蟲活動范圍附近棲息和交配，并選擇在裂縫口等狹小的地方進行產(chǎn)卵[11]。由于其預蛹階段有自行爬出取食地的生活習性，在規(guī)模化生產(chǎn)中為分離和收集水虻提供了不少便利，由此成為一種重要的應用昆蟲資源。

2黑水虻的飼養(yǎng)技術

黑水虻能與家蠅形成競爭，其幼蟲存活率更高，與蠅蛆爭奪食物有一定的優(yōu)勢，抑制蠅蛆生長，因此可替代家蠅進行規(guī)?；B(yǎng)殖生產(chǎn)。黑水虻幼蟲具有廣泛的取食譜，可利用腐熟質(zhì)來進行飼養(yǎng)。在應用化生產(chǎn)中一般采用麩皮、苜蓿粉和玉米粉以5∶3∶2的比例進行人工繁殖，含水量控制在70%左右，可以縮短幼蟲歷期[12]。也可利用其他有機廢棄物（如畜禽糞便、餐飲垃圾等）進行飼養(yǎng)，不僅緩解了環(huán)境壓力，經(jīng)轉(zhuǎn)化的生物量還可用作高蛋白飼料，取得良好的經(jīng)濟效益。

除了喂食的飼料種類，黑水虻幼蟲期生長還受其他因素影響。Tomberlin等在不同溫度下飼養(yǎng)水虻，發(fā)現(xiàn)其適宜生長溫度在27～30 ℃，并且在27 ℃條件下幼蟲和預蛹歷期比30 ℃多出2 d，但得到的預蛹平均個重要多出0.012 g[13]。當飼料含水量在65%～70%時可以縮短幼蟲歷期，當含水量逐漸提高到80%時所得到的預蛹重量逐漸增加，達到最大值[14]。建立黑水虻人工養(yǎng)殖系統(tǒng)主要是為畜禽糞便等大量廢棄物處理提供幼蟲，因此提高產(chǎn)卵量和蟲卵孵化率是其關鍵。水虻完成交配要求較大的空間，以滿足正常飛行、取食、交配和產(chǎn)卵等行為，成蟲的趨光性會使黑水虻在狹小的空間感到不適，以致不斷飛行沖撞最終導致體力耗盡而亡。由于大多數(shù)養(yǎng)殖動物對Zn等微量元素的利用率低，因此以畜禽糞便喂食黑水虻時會導致糞便中大量的鋅等微量元素在水虻體內(nèi)累計，對幼蟲及蛹的發(fā)育產(chǎn)生脅迫作用[15]，進而影響水虻對糞便的生物轉(zhuǎn)化效果。

3黑水虻在畜禽糞便處理中的應用

在早期對黑水虻生物學特征的研究中發(fā)現(xiàn)黑水虻能與家蠅形成競爭[16]，并有效控制家蠅滋生。在黑水虻繁殖棲息的畜禽糞便堆附近，只有少數(shù)野生家蠅能夠生長發(fā)育，而家蠅成蟲也會避免在黑水虻幼蟲取食的地方產(chǎn)卵。此外，與家蠅相比，黑水虻既不攜帶病原菌，也不會入侵人類居住的環(huán)境中。因此，利用黑水虻處理畜禽糞便的研究引起了人們的關注。

黑水虻取食糞便有機物發(fā)生在其幼蟲階段。Stefan Diener等研究發(fā)現(xiàn)每只幼蟲在每天添加雞糞量為100 mg時，其轉(zhuǎn)化率可高達41.8%[17]；黑水虻幼蟲在取食過程中能降低糞便惡臭散發(fā)，接種3～6 d后可使糞便中大腸桿菌和沙門氏菌的數(shù)量降低2 000倍以上[18]，減少對周邊環(huán)境的影響，使黑水虻替代家蠅處理畜禽糞便增加了可行性。研究還表明利用黑水虻轉(zhuǎn)化畜禽糞便不僅可以減少糞便堆積帶來的危害，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中含有較高的油脂和能量，將其進一步開發(fā)可用來制備生物柴油。Li等[19]采用牛糞、豬糞和雞糞喂養(yǎng)1 000只水虻幼蟲，取食10 d后通過酯化以及酯交換作用可分別制備到35.5、57.8和91.4 g的生物柴油，是一種可取代傳統(tǒng)以植物油為原料的新型制備工藝。除了強大的口器幫助其取食外，水虻幼蟲的腸道微生物種群在消化轉(zhuǎn)化有機質(zhì)過程中起著關鍵作用，不同取食的幼蟲腸道微生物群落結構也不會發(fā)生不同變化[20]；腸道內(nèi)的酶活和數(shù)量也因水虻不同取食習性使其多樣化發(fā)生變化，但總體活性要比其他腐食性昆蟲（如家蠅）高[21]。因此，在不同腸道微生物和酶活性變化調(diào)節(jié)下，黑水虻對畜禽糞具有廣泛的食譜，能降解不同畜禽產(chǎn)生的糞便，并且對有機質(zhì)的消化率和轉(zhuǎn)化效率更高。

4黑水虻的營養(yǎng)價值

水虻幼蟲轉(zhuǎn)化畜禽糞便的生物量中含有大量的蛋白和脂肪，其本身對于養(yǎng)殖動物而言就是種高能量的蛋白飼料。對黑水虻幼蟲的分離收集比較困難，但幼蟲生長到預蛹期后，為了尋找化蛹的場所，會從食物基質(zhì)中爬出來。從產(chǎn)業(yè)化的角度來看，這種有助于自動收集的行為更提高了黑水虻的飼料價值。從表1可以看出，黑水虻預蛹的蛋白含量要低于傳統(tǒng)魚粉飼料，但脂肪含量略高，與魚粉接近的氨基酸含量和比例使預蛹成為新型蛋白飼料成為可能。然而，預蛹中還存在一定量的多聚幾丁質(zhì)，不利于動物消化甚至會影響其他營養(yǎng)成分的利用程度[22]。但對于含有幾丁質(zhì)酶的動物（如鯉魚、鱈魚等）而言，預蛹中的幾丁質(zhì)又是一種額外的營養(yǎng)來源，與此同時這些豐富的幾丁質(zhì)還可作為新型的殼聚糖提取來源，應用于醫(yī)學和食品等領域。S.Kroeckel等[23]用不同比例的水虻蛋白替代部分魚粉喂養(yǎng)大菱鲆，發(fā)現(xiàn)預蛹蛋白的消化轉(zhuǎn)化率得到明顯提高，并在小于33%預蛹蛋白含量時可以增加魚蛋白量，但適口性并不理想，這直接影響到動物的取食量。因此，解決難消化幾丁質(zhì)和低適口性問題是開發(fā)黑水虻飼料資源的關鍵門檻。

5小結與展望

黑水虻能夠高效轉(zhuǎn)化養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢棄物，降低異味排放和環(huán)境污染問題，目前已在畜禽糞便、餐飲垃圾等廢棄物的處理等方面得到應用。黑水虻轉(zhuǎn)化的生物量不僅能用于生產(chǎn)高蛋白飼料繼續(xù)喂養(yǎng)動物，而且能用于生物柴油制備和幾丁質(zhì)等生物活性物質(zhì)的提取以及能夠抑制家蠅滋生，因此水虻昆蟲具有重要的經(jīng)濟價值。

我國具有豐富的水虻資源，在華中、華南和華北地區(qū)分布較廣，但對這些生物資源的開發(fā)與利用尚不成熟。建立完整的黑水虻畜禽糞便轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，實現(xiàn)廢棄物資源化，具有多重的經(jīng)濟效益。但是，在規(guī)?；a(chǎn)中黑水虻對飼養(yǎng)溫度也有一定的要求。在處理糞便時，大量的微量元素殘留會影響水虻的生長發(fā)育。總體而言，在水虻轉(zhuǎn)化生物量的利用上，仍存在一系列問題需要不斷改善，而我國在這方面的研究和應用卻非常少。因此，對水虻科昆蟲資源的開發(fā)利用仍需投入大量的研究和工作。

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