亮斑扁角水虻幼蟲轉化藍藻藻泥和降解藻毒素的研究

汪 冕，霍 巖，肖小朋，蔡珉敏，鄭龍玉，王高鴻，李 林，張吉斌*

(1.華中農業大學生命科學技術學院 農業微生物學國家重點實驗室 微生物農藥國家工程研究中心，湖北 武漢 430070；2.中國科學院水生生物研究所，湖北 武漢 430072)

亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.)屬雙翅目水虻科昆蟲[1]，具有生長周期短、繁殖速度快、養殖成本低、食性廣泛及營養價值高等優點[2]。因其具有較強的生物轉化能力常被用于處理餐廚垃圾[3-4]、畜禽糞便等有機廢棄物[5-8]。而有機廢棄物如畜禽糞便中存在抗生素、真菌毒素、殺蟲劑、重金屬等殘留問題[9]。研究[10]表明，水虻幼蟲對霉菌毒素和殺蟲劑表現出較高抗性，霉菌毒素和殺蟲劑既沒有在幼蟲組織中積累，也沒有顯著影響生長。Cai等[11]研究表明，在適宜條件下，水虻能有效、快速降解四環素，并證明快速降解四環素主要是由幼蟲的腸道菌群進行的。 但是重金屬污染顯著降低了實驗后水虻幼蟲的質量和水虻轉化率，且影響了幼蟲的生長[10]。總體來說，水虻幼蟲對逆境表現出極強的抗性，這也是本研究工作的基礎。

2007年5月，我國太湖梅梁灣地區爆發了大規模藻類水華，由于此次藍藻爆發污染了自來水廠取水口，導致無錫市出現嚴重的“水危機”，由此引發了人們對于藍藻水華的廣泛關注[12]。目前資源化利用藍藻主要有3種方法：一是生產生物新能源。美國開發出了海洋工程微藻，微藻的脂肪含量可以高達60%以上，可用于生產優質生物柴油[13]，但提油后的廢物易造成二次污染；二是生產飼料。董桂芳等[14]發現，對處理后的藍藻進行去毒處理，可以有效去除藻毒素，再應用于魚類養殖行業中，具有巨大的發展前景，雖然對藍藻進行脫毒的方法在不斷改進，但想要徹底去除藻毒素還需要進一步探究。另外，以脫毒藻類生產的飼料對動物及人類的具體影響還有待進一步探討；三是制備肥料，分為堆肥和沼肥。研究[15]發現，在堆肥過程中，添加麥麩，將含水量調節至 55%左右，在C/N為 25時，微囊藻毒素降解速率最快，降解率高達 90%以上。但在堆肥過程中也存在一些問題，如大量的氮素會流失，而且堆肥耗時較長，占用空間大，利潤少。目前，在水華藍藻資源化利用方面主要的研究是厭氧沼氣發酵，但沼氣發酵形成的沼渣和沼液，由于量太大，附近農田難以消化，很容易形成二次污染[12]?？偟膩碚f，目前還沒有一種成熟的高效綠色資源化利用藍藻藻泥的方法。

據統計，世界上25%～70%的藍藻水華污染可產生藻毒素[16]，藻毒素具有肝毒性、腎毒性、生殖毒性、神經毒性、腸胃道毒性等。藍藻的資源化利用過程中，首要問題是藻毒素的去除。目前，藻毒素的去除方法主要有4種：利用活性炭和濾膜等物理方法，利用臭氧和氯系氧化劑等化學方法，利用細菌和生物膜反應器等生物方法及一些組合方法[17]。目前還沒有水虻幼蟲降解藻毒素方面的研究報道。

前期研究顯示，水虻單獨利用藻泥效果不佳，鑒于此，作者通過亮斑扁角水虻武漢品系(武漢亮斑水虻)幼蟲轉化藍藻藻泥與麩皮或玉米皮復配的飼料獲得昆蟲蛋白，優化飼料配方，同時考察水虻幼蟲對藍藻藻泥中藻毒素的降解作用，為大規模利用水虻幼蟲轉化藍藻藻泥奠定基礎。

1 實驗

1.1 材料

亮斑扁角水虻武漢品系(武漢亮斑水虻)，由華中農業大學農業微生物學國家重點實驗室提供，水虻蟲卵的收集和幼蟲的飼養參照文獻[18]方法。

藍藻藻泥(2批，含水率分別為95.0%、96.3%)、藍藻藻粉(優勢種為銅綠微囊藻Microcystisaeuginosa，含水率為10.0%，藻毒素含量為335.3 μg·g-1)，由中國科學院水生生物研究所提供。

麩皮，含水率為10.0%，粒徑為 150 μm，市售。

玉米皮，含水率為11.0%，粒徑為 150 μm，市售。

菌渣，含水率為52.0%，粒徑為300 μm，武漢如意食用菌生物高科技有限公司。

白色水虻幼蟲圓柱飼養盒15個，規格為直徑 15 cm×20 cm，市售。

1.2 武漢亮斑水虻幼蟲轉化藍藻藻泥

1.2.1 藍藻藻泥與麩皮不同配比下的水虻轉化效率

定量麩皮為100 g，加入不同量的藍藻藻泥，同時調節含水率在65%～80%之間，具體配方見表1。

表1 藍藻藻泥與麩皮復配的配方

將制備好的飼料分裝到圓柱飼養盒中，同時放入規格大小一致的8日齡幼蟲，任其自由取食，每盒200只，每組 4個重復。實驗開始前所有幼蟲饑餓 24 h，養殖過程中用兩層紗布遮蓋飼養盒使其避光并防止幼蟲逃逸，控制室溫(28±2) ℃，環境相對濕度40%～60%。待出現50%的預蛹后，蟲料分離[19-21]。統計每組的50%預蛹時間，按式(1)～(3)分別計算物料減少率、水虻轉化率、幼蟲死亡率：

(1)

(2)

(3)

1.2.2 藍藻藻泥與玉米皮不同配比下的水虻轉化效率

定量玉米皮為100 g，加入不同量的藍藻藻泥，同時加入50 g金針菇菌渣，調節含水率在70%左右，具體配方見表2。

表2 藍藻藻泥與玉米皮復配的配方

將制備好的飼料分裝到圓柱飼養盒中，同時放入規格大小一致的8日齡幼蟲，任其自由取食，每盒400只，每組 4個重復，飼喂方法同1.2.1。

1.3 武漢亮斑水虻幼蟲對藍藻藻粉中藻毒素的降解作用

將藍藻藻粉按干重10%與麩皮進行復配，再加水，調節含水率為70%，具體配方見表3。

表3 水虻降解藻毒素的藍藻藻粉配方

飼喂方法同1.2.2。計算其物料減少率、水虻轉化率、幼蟲死亡率；并取樣，每個重復取50只幼蟲、20 g殘渣，測定每份樣品中物料殘渣和幼蟲的藻毒素含量，按式(4)計算藻毒素降解率：

(4)

式中：C0為轉化前物料藻毒素含量；C1為轉化后物料殘渣藻毒素含量；C2為轉化后幼蟲中藻毒素含量。

1.4 數據統計與分析

數據結果均以“平均數±標準誤差”表示，采用SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析，通過單因素方差分析結合多重比較進行對照組與各處理組的顯著性檢驗，不同小寫字母表示具有顯著性差異(P<0.05)。

2 結果與討論

2.1 藍藻藻泥與麩皮、玉米皮不同配比下的水虻轉化效率

藍藻藻泥與麩皮不同配比下的水虻轉化效率見表4。

表4 藍藻藻泥與麩皮不同配比下的水虻轉化效率

從表4可以看出，隨著藍藻藻泥添加量的增加，水虻轉化率呈下降趨勢，說明藍藻藻泥及其中的藻毒素可能對水虻的轉化效率有一定的負面影響；但是藍藻藻泥添加量的增加對物料減少率的影響不大，其中，C組的物料減少率顯著高于其它組，即藍藻藻泥∶麩皮=3∶1(鮮重比)時，其物料消耗最多。D和E組的幼蟲死亡率很高，分別為(21.83±1.83)%和(38.00±11.8)%，說明，當藍藻藻泥∶麩皮為4∶1和5∶1(鮮重比)時，即藻泥干物質含量高于14%，水虻出現大量死亡的現象，這可能與藍藻藻泥中藻毒素含量有關；并且D和E組的50%預蛹時間分別為23.8 d和44.6 d，轉化時間大大延長，影響處理效率。A、B、C組的幼蟲死亡率與對照組無顯著性差異，其50%預蛹時間分別為10.9 d、12.3 d和15.5 d，均比較適中，可作為優選比例。綜上，由于C組具有較高的物料減少率，同時其水虻轉化率和幼蟲死亡率、50%預蛹時間基本符合生產要求，可以作為物料轉化的較佳比例，即藍藻藻泥∶麩皮=3∶1(鮮重比)時，其物料減少率達(59.47±2.27)%，水虻轉化率為(6.60±0.31)%，幼蟲死亡率為(3.17±2.24)%，50%預蛹時間為15.5 d。

藍藻藻泥與玉米皮不同配比下的水虻轉化效率見表5。

表5 藍藻藻泥與玉米皮不同配比下的水虻轉化效率

從表5可以看出，隨著藍藻藻泥添加量的增加，水虻轉化率和幼蟲死亡率均無顯著性差異，但物料減少率呈先升高后降低的趨勢。其中，B1組的物料減少率最高，但其水虻轉化率最低；C1組的水虻轉化率最高，但其幼蟲死亡率偏高，50%預蛹時間偏長；A1組雖然物料減少率比B1組稍低，但水虻轉化率比B1組高，幼蟲死亡率比B1組低，50%預蛹時間與B1組接近。隨著藍藻藻泥添加量的增加，50%預蛹時間呈先縮短后延長的趨勢，其中B1組的轉化周期最短，A1組其次。這可能是由于，藍藻藻泥中含有豐富的蛋白質，能提供水虻幼蟲生長必需的營養，但由于藍藻藻泥含藻毒素，藍藻藻泥添加量過多反而會對水虻幼蟲的生長有害。綜合考慮，A1、B1組均較佳，但B1組消耗藍藻藻泥量是A1組的2倍，故B1組為最優配方，即藍藻藻泥∶玉米皮∶菌渣=4∶2∶1(鮮重比)時，其物料減少率達(63.90±0.46)%、水虻轉化率達(11.46±0.56)%、幼蟲死亡率為(2.92±0.46)%，50%預蛹時間為13.0 d。

2.2 武漢亮斑水虻幼蟲對藍藻藻粉中藻毒素的降解作用

用藍藻藻粉按干重10%與麩皮進行復配后飼喂水虻幼蟲，經10 d的轉化，物料減少率為46.12%，水虻轉化率為13.44%，幼蟲死亡率為2.50%。轉化前，藍藻藻泥中藻毒素含量為3 688.12 μg，水虻幼蟲中藻毒素含量為0；轉化后，藍藻藻泥中藻毒素含量為2 146.83 μg，水虻幼蟲中藻毒素含量為29.81 μg。表明，藍藻藻泥經過水虻幼蟲10 d的轉化，藻毒素降解率為40.98%，僅有0.81%的藻毒素轉移到水虻幼蟲體內，轉移量小。

2.3 討論

亮斑扁角水虻對有機廢棄物具有雜食性，對餐廚剩余物、雞糞和豬糞等有很好的轉化效果，但對于一些營養差難以消化的有機廢棄物，通過與營養較好的廢棄物或農副產品復配，水虻也可以有效利用。例如，牛糞富含纖維素、半纖維素和木質素，與雞糞(或豆渣)以4∶6的比例復配，水虻生長和轉化效果最好[22]。食用菌培養后的菌渣(包括基質和菌根)富含纖維素，水虻幼蟲單獨轉化效率不高，但添加40%的麩皮或餐廚剩余物可以取得很好的轉化效果[23]。Chia等[24]將肯尼亞的工農業生產廢棄物如啤酒酒糟和制糖工業的廢糖蜜進行復配作為水虻幼蟲飼料，將不同原料產生的酒糟與廢啤酒酵母液或廢糖蜜復配成12個配方飼喂水虻幼蟲，對水虻幼蟲、預蛹、蛹和成蟲的發育時間、存活率及成蟲的產卵量進行了比較，顯示不同的復配對這些指標有不同程度的影響，為水虻大規模轉化這些廢棄物提供了基礎數據。

徐歆歆等[25]將含0、10%、20%、30%及 40%去油脂裂殖壺藻藻渣的日糧飼喂8日齡的水虻幼蟲，發現藻渣的添加量不超過 10%時，不會對幼蟲的生長造成負面影響；當添加量不超過30%時，可顯著提高幼蟲中n-3多不飽和脂肪酸的含量。該研究是采用去油脂裂殖壺藻藻渣進行復配，沒有對新鮮藻泥進行復配實驗。本研究將藍藻藻泥與麩皮、玉米皮等按不同配比進行復配來飼喂8日齡水虻幼蟲，發現藻泥干物質添加量在10%左右時，其轉化效果最佳，水虻轉化率可達到5.07%～13.21%，物料減少率達到51.10%～63.90%，50%預蛹時間為10.9～44.6 d。藍藻藻泥與麩皮最佳配比下，水虻轉化率僅為(6.60±0.31)%，結果并不令人滿意。于是在藍藻藻泥與玉米皮配比的優化中，將投蟲密度達到3 100～3 600只·(kg干物質)-1，并在配方中加入一定量的菌渣，調整了物料的黏度以及C/N，物料減少率和水虻轉化率得到明顯提高，使其更符合水虻幼蟲生長和轉化的需求。

本研究發現，水虻幼蟲對藍藻藻泥中藻毒素有一定降解作用，降解率為40.98%，水虻幼蟲轉化藍藻藻粉后，僅0.81% 的藻毒素轉移到水虻幼蟲體內，轉移量小。雖然藻毒素降解率低于堆肥等傳統方法，但通過水虻幼蟲培養條件優化可以提高藻毒素降解效率。本研究為大規模利用水虻幼蟲轉化藍藻藻泥和降解藻毒素提供新思路、新方法。

3 結論

通過武漢亮斑水虻幼蟲轉化藍藻藻泥與麩皮或玉米皮復配的飼料獲得昆蟲蛋白，優化了飼料配方，同時考察了水虻幼蟲對藍藻藻泥中藻毒素的降解作用。結果表明，當藍藻藻泥∶玉米皮∶菌渣=4∶2∶1(鮮重比)時，水虻幼蟲轉化效率最高。當水虻幼蟲飼料中藻泥干物質添加量在10%以下時，不會對幼蟲的生長造成負面影響，可以獲得較高的水虻轉化率、物料減少率；一旦藻泥干物質添加量超過14%，水虻出現了大量死亡現象，轉化時間也大大延長，這可能與藍藻藻泥中的藻毒素含量有關。首次發現水虻對藍藻藻毒素有一定降解作用，為大規模利用水虻幼蟲轉化藍藻藻泥提供了基礎數據。