黑水虻處理有機廢棄物技術研究進展

王 葉 喻國輝 李義勇 *

（1仲愷農業(yè)工程學院資源與環(huán)境學院，廣東廣州 510225；2廣東省農業(yè)產地環(huán)境污染防控工程技術研究中心，廣東廣州 510225；3仲愷農業(yè)工程學院植物健康創(chuàng)新研究院，廣東廣州 510225）

黑水虻（Hermetia illucens）又稱亮斑扁角水虻，是雙翅目水虻科扁角水虻屬昆蟲，廣泛分布于全球熱帶和亞熱帶地區(qū)[1-2]。黑水虻為全變態(tài)發(fā)育，共經歷卵、幼蟲、蛹、成蟲4個蟲態(tài)。卵為塊產，一般為500粒左右，初產時為乳白色或淺黃色，之后變成黃色，27℃條件下4 d左右孵化為幼蟲。1～5齡幼蟲體色乳白色，取食活躍，3～5齡時具有暴食性；6齡蟲體呈黑色，此時口器開始退化且不采食，被稱為預蛹[3]。預蛹直至羽化為成蟲都是依靠消耗前期積累的脂肪維持生命活動。成蟲期5～8 d，在羽化后2 d進行交配和繁殖，羽化4 d左右時產卵[4]。

黑水虻處理有機廢棄物是指利用低齡期具有暴食性的黑水虻幼蟲處理有機廢棄物的方法[5-6]。處理結束后收獲的幼蟲體內含有豐富的蛋白質、氨基酸、脂肪、礦物質等[7-9]，可用作水產、家禽養(yǎng)殖飼料以及生物燃料等[10-11]，篩除幼蟲蟲體后的殘余物是一種高附加值的有機肥料[12-13]。與其他昆蟲相比，黑水虻處理有機廢棄物的最大優(yōu)勢在于其行為特征：黑水虻喜棲于室外的草木上而不進入人居環(huán)境[14]，不攜帶病原菌[15]，無營養(yǎng)供應也可交配產卵，還可在一定程度上阻止家蠅產卵，使家蠅幼蟲數量減少。此外，黑水虻處理有機廢棄物的周期明顯低于蠅蛆和蚯蚓的處理周期[16]，且轉化率高于蠅蛆和蚯蚓[17]。因此，以黑水虻作為生物轉化的驅動者來處理餐廚垃圾、畜禽糞便等有機廢棄物[18]，能在治理環(huán)境污染的同時收獲高價值產品，具有高效、高值等特點，是一項特色鮮明、優(yōu)勢明顯的技術。

大量研究表明，黑水虻幼蟲對畜禽糞便、餐廚垃圾和病死畜禽尸體等有機廢棄物處理均具有可行性，但其處理效率較低，限制了黑水虻處理有機廢棄物的產業(yè)化應用。本文從黑水虻處理有機廢棄物的現(xiàn)狀和問題出發(fā)，著重探討其可能的解決辦法，以期為黑水虻處理有機廢棄物的產業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 黑水虻處理有機廢棄物現(xiàn)狀

黑水虻幼蟲具有食譜廣、食量大、營養(yǎng)需求低、安全性高等特點，因而擁有巨大的有機廢棄物處理潛力[19]。黑水虻幼蟲為腐食性[20]，在自然界中以動物糞便[21]和腐爛有機物為食，如雞糞[22]、牛糞[23]，腐爛的水果、蔬菜和肉類[24]，腐敗的海產品及病死畜禽尸體等。據不完全統(tǒng)計，目前黑水虻幼蟲可處理的有機廢棄物達78種（包括混合有機廢棄物）[25]。黑水虻幼蟲對單一有機糞便的處理率為20%～50%；對餐廚垃圾的處理率較高，達50%～70%[26]；對畜禽尸體的研究熱點集中在病原菌抑制方面，對其減量的具體數據還鮮有報道。

1.1 黑水虻處理畜禽糞便

黑水虻幼蟲采食新鮮糞便，攝取其中的營養(yǎng)物質轉化為自身的蛋白質和脂肪，對糞便減量化的同時可消除糞便的臭味[27-28]。袁 橙等[29]研究了黑水虻處理規(guī)模化豬場糞便的效果，發(fā)現(xiàn)4日齡（孵化后4 d）黑水虻幼蟲對料堆厚度為15 cm的新鮮豬糞減量率最高，達65.33%，獲得的蟲重最大。余 峰等[30]探討了黑水虻幼蟲處理不同養(yǎng)殖模式來源鴨糞的效果，發(fā)現(xiàn)黑水虻對3種鴨糞的減量率約為30%，糞便的有機質含量是影響黑水虻預蛹產量和轉化效果的一個重要因素，且處理后鴨糞臭味明顯消除。EIDakar等[31]研究了黑水虻幼蟲處理鳥類糞便與哺乳動物糞便的效果，黑水虻在豬糞、鵪鶉糞、羊糞、雞糞中達到預蛹周期分別約需要 36、30、26、26 d；達到預蛹期之后，黑水虻對鳥類糞便的減量率為35.04%±1.44%，對哺乳動物糞便的減量率為30.95%±2.11%。這說明鳥類糞便的營養(yǎng)成分以及結構相對于哺乳動物糞便更適合黑水虻幼蟲轉化分解。Moula等[32]開展了試驗，以馬糞飼養(yǎng)黑水虻幼蟲，并將收獲的幼蟲用于飼喂當地家禽，同時檢測了幼蟲及家禽肉類的脂肪酸譜。結果表明，馬糞飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲含有豐富的脂肪酸，其喂養(yǎng)的家禽肉脂肪酸含量與專用飼料喂養(yǎng)的無統(tǒng)計學差異，說明馬糞—黑水虻—家禽的資源化利用模式是可行的。此外，黑水虻幼蟲對人類糞便也有較好的處理效果，減量率可達25.8%[33]。可見，黑水虻幼蟲對糞便的處理具有廣適性和環(huán)境友好性[34]。

1.2 黑水虻處理餐廚垃圾

餐廚垃圾包括家庭、學校、食堂及餐飲行業(yè)等產生的食物加工下腳料（廚余）和食用殘余（泔腳），其成分復雜，主要是油、水、果皮、蔬菜、米面、魚肉等多種物質的混合物。我國餐廚垃圾數量十分巨大，并呈快速上升趨勢[35]。黑水虻幼蟲對易腐餐廚垃圾的取食與消化能力非常強，可充分實現(xiàn)對餐廚垃圾的無害化、減量化和資源化處理[36]。Cheng等[37]研究表明，黑水虻幼蟲可處理較高含水量的餐廚垃圾，且含水率為75%時處理效果最佳，黑水虻幼蟲對餐廚垃圾減量率約為65%，這與Lalander等[38]利用黑水虻幼蟲處理高含水率物料的研究結果一致。Salomone等[39]利用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾，使10 t的餐廚垃圾減量70%，收獲幼蟲總干重達300 kg。Meneguz等[40]比較了黑水虻幼蟲對變質水果、腐爛蔬菜、啤酒廠副產物和紅酒廠副產物等4種有機廢棄物的轉化效果，對變質水果和腐爛蔬菜的減量率分別為65.20%和70.80%，均高于對兩種酒廠廢棄物的處理率（53.0%和42.5%），表明黑水虻幼蟲對易腐垃圾的轉化分解效果更佳。另有研究表明，黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾時，可強效殺滅垃圾中的病原菌，從而阻斷毒蛋白在食物鏈中的傳播。由此可見，黑水虻處理餐廚廢棄物具有顯著優(yōu)勢[41]。

1.3 黑水虻處理病死畜禽尸體

黑水虻幼蟲可用于處理病死畜禽尸體，使其無害化。有研究表明，黑水虻幼蟲食用帶病原菌的飼料后，其蟲體內并未檢測到相應的病原菌，排泄物中也未檢測出病原菌，說明飼料中的病原菌經過黑水虻幼蟲采食后被完全殺滅。對黑水虻幼蟲體表浸泡洗滌后的溶液檢測相應病原，結果呈陰性[42]，說明黑水虻蟲體表可能富含抗菌肽類物質，對接觸的病原菌有抑制或者殺滅作用[43]。利用黑水虻幼蟲高效處理病死豬并實施生物轉化，將為非洲豬瘟病死豬處理開辟新途徑。可見，黑水虻幼蟲可實現(xiàn)病死畜禽尸體的無害化，在安全處理病死畜禽尸體方面具有應用潛力。

2 黑水虻處理有機廢棄物技術存在的問題及解決方法

黑水虻幼蟲對多種有機廢棄物均具有分解轉化的可行性，但有機廢棄物來源和性質不同導致了黑水虻幼蟲對部分有機廢棄物的處理效果不佳。其原因如下：大部分有機廢棄物本身營養(yǎng)結構不均衡，導致黑水虻幼蟲轉化率以及有機廢棄物減量率較低；有機廢棄物中直接降解菌不占優(yōu)勢或輔助黑水虻幼蟲生物轉化的功能菌活力不夠[44]，不利于黑水虻幼蟲對有機廢棄物的分解轉化；有機廢棄物中大分子物質較多，不利于黑水虻幼蟲采食和消化[45]。因此，要使黑水虻幼蟲處理有機廢棄物達到較好效果，首先，要保證有機廢棄物中的營養(yǎng)均衡，以滿足黑水虻幼蟲的采食需求[46-47]；其次，微生物在分解轉化過程中發(fā)揮著重要的作用，調節(jié)菌群關系可促進黑水虻幼蟲對有機廢棄物的處理[48]；最后，通過加入輔助物料進行發(fā)酵，改善有機廢棄物營養(yǎng)結構和空間結構，可促進黑水虻幼蟲攝食和糞便轉化。

2.1 調節(jié)有機廢棄物碳氮比

如表1所示，雞糞的碳氮比約為10，氮含量高于人類糞便和牛糞，黑水虻幼蟲對雞糞的減量率為49.23%，高于對其他廢棄物的減量率[49]；人類糞便的碳氮比約為22，氮含量的初始水平較低，且隨著幼蟲對有機廢棄物采食，體系內營養(yǎng)成分氮含量減少，碳氮比更加不平衡，抑制了幼蟲對底料的采食[50]；牛糞的碳氮比為24左右，也存在著碳氮比失衡的情況，減量率相對較低，約為14.30%。可見，黑水虻幼蟲對牛糞、人類糞便等碳氮比失衡的有機廢棄物減量率相對較低[20]。為了提高有機廢棄物的減量率，可將有機廢棄物碳氮比調節(jié)至適宜值[51]。此外，有機廢棄物營養(yǎng)不均衡還會導致處理周期相對延長。

表1 黑水虻幼蟲對不同有機廢棄物的處理情況

不同種類有機廢棄物之間的營養(yǎng)成分有差異，將之混合調節(jié)至適宜的碳氮比，可有效促進黑水虻幼蟲分解轉化有機廢棄物（表2）。Gold等[52]研究表明，日料中非纖維碳水化合物∶蛋白質為1∶1時可有效促進黑水虻幼蟲對有機廢棄物的分解轉化。郭孝結[54]以稻殼粉為營養(yǎng)載體，確定黑水虻幼蟲的最佳碳源和氮源配方為葡萄糖0.306 3 g/頭、胰蛋白粉0.120 7 g/頭。人類糞便碳氮比較高，雞糞碳氮比相對較低（表1）。將兩者以2∶3的比例混合可有效平衡底料的碳氮比，使減量率提高至41.98%[33]。豆粕是大豆提取油脂后的殘留物，由于絕大部分含碳物質進入豆油中，故殘留物中的氮較多，其碳氮比約為5[55]。將之添加到人類糞便中后，再用黑水虻幼蟲進行處理，可使減量率提高至56.50%[53]。屠宰場廢棄物主要包括待宰圈清理產生的糞便、屠宰車間生產過程中割下的碎肉及碎骨、畜血和病死畜禽等，氮源豐富[56]，碳氮比相對較低。將之添加到人類糞便以及牛糞中，再用黑水虻幼蟲進行處理，可使減量率提高至64.1%。由此可見，適宜的碳氮比可明顯促進黑水虻幼蟲分解轉化有機廢棄物[52]。

表2 黑水虻幼蟲對不同種類有機廢棄物混合物的處理情況

2.2 細菌協(xié)同作用

共生菌在昆蟲生長、腸道微生物菌群發(fā)育和消化酶生產中起著關鍵作用[57]。與黑水虻幼蟲共生的微生物可有效促進幼蟲采食有機廢棄物（表3）。江承亮[44]研究了黑水虻幼蟲腸道菌群對餐廚垃圾生物降解的機制，結果表明，黑水虻幼蟲在分解轉化餐廚垃圾過程中將餐廚垃圾中的部分菌作為共生菌幫助自身生長發(fā)育。這些菌主要包括芽孢桿菌、腸桿菌和乳酸菌等。

表3 不同菌株與黑水虻幼蟲協(xié)同轉化有機廢棄物的減量率

Mazza等[49]從黑水虻蟲卵以及幼蟲內道分離得到10株內生菌，探究其對黑水虻幼蟲處理雞糞的影響，結果表明，枯草芽孢桿菌（Bacilus subtilis）處理組效果最佳，雞糞減量率為53.58%；考克氏菌（Kocuria marina）與奇異變形桿菌（Porteus mirabilis）處理組效果次之，雞糞減量率分別為50.73%和50.43%；藤黃細球菌（Micrococcus luteus）、戈登氏菌（Gordonia sihwensis）處理組效果最差，雞糞減量率分別為47.00%和46.66%，且低于不加菌處理組（減量率為49.23%）。以上說明不同細菌對黑水虻幼蟲處理雞糞體系的影響有所差異，其中枯草芽孢桿菌可用于強化黑水虻幼蟲的轉化作用。這與Xiao等[59]的研究結果一致。Somroo等[58]研究表明，外源布氏乳桿菌可有效促進黑水虻幼蟲生物轉化大豆加工副產物，對大豆副產物的減量率由49.00%提高至55.70%。同時，Rehman等[33]研究了外源添加5株芽孢桿菌對黑水虻幼蟲降解雞糞與人類糞便混合物的影響，接種組的混合物減量率為45.49%，而不加菌處理組為41.98%，兩者有顯著差異，說明外源枯草芽孢桿菌也可有效促進黑水虻幼蟲處理有機廢棄物。上述外源枯草芽孢桿菌與內源枯草芽孢桿菌均可有效促進黑水虻幼蟲對糞便的減量降解，因而推測其與枯草芽孢桿菌本身的性質有關[60]。其作用機理可能包括以下方面：首先，枯草芽孢桿菌菌體生長過程中產生的枯草菌素、短桿菌肽等活性物質對致病菌有明顯的抑制作用，避免了因黑水虻染病后種群數量減少而引起的有機廢棄物減量率降低；其次，枯草芽孢桿菌能夠迅速消耗腸道中的游離氧，使腸道處于低氧環(huán)境，促進有益厭氧菌生長，從而促進黑水虻將有機廢棄物中營養(yǎng)成分轉化為自身物質；最后，枯草芽孢桿菌菌體自身合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶等酶類，在消化道中與黑水虻體內的消化酶協(xié)同發(fā)揮作用[61]。

2.3 有機廢棄物預發(fā)酵

一般認為，預發(fā)酵可殺滅有害的寄生蟲卵和致病微生物，同時減少臭味產生和養(yǎng)分損失，還可提高飼料適口性和吸收效率。這點也適用于黑水虻幼蟲處理有機廢棄物，即對有機廢棄物進行預發(fā)酵處理可促進黑水虻對有機廢棄物的轉化[62]。Isibika等[63]研究表明，接種Trichoderma reesei以及添加非蛋白氮（NH3）至破碎處理的香蕉皮體系中，經過14 d發(fā)酵后再加入黑水虻幼蟲進行處理，可有效提高黑水虻幼蟲對香蕉皮的采食量和轉化率。其作用機理：首先，NH3的加入有效地平衡了香蕉皮的碳氮比，促進了黑水虻采食；其次，發(fā)酵過程中，微生物將香蕉皮中的大分子物質分解為更容易被黑水虻幼蟲攝食的小分子物質，促進了黑水虻采食；最后，腸道菌群可將外來非蛋白氮轉化為單細胞蛋白供黑水虻利用。Elsayed等[64]將秸稈與雞糞以不同比例混合之后進行厭氧發(fā)酵，再利用黑水虻幼蟲處理厭氧發(fā)酵所產生的黑色固體。當幼蟲與黑色固體比值為0.75、處理周期為15 d時，每條蟲子增重約144 mg，與其他試驗組均有顯著性差異。綜上所述，預發(fā)酵之后的底料消化率得到提高，更利于黑水虻幼蟲的生物轉化，從而提高了有機廢棄物的減量率。

3 展望

利用黑水虻幼蟲處理畜禽糞便、餐廚垃圾和病死畜禽尸體等有機廢棄物均具有可行性。在生物轉化過程中，按照一定比例混合有機廢棄物至適宜碳氮比、投加菌劑、預發(fā)酵處理等措施均可顯著促進黑水虻幼蟲對有機廢棄物的分解轉化。其進一步的技術研究方向有以下方面。

3.1 用好碳氮比

諸多研究表明，調節(jié)碳氮比可有效促進黑水虻幼蟲處理有機廢棄物。據此探究更多種類有機廢棄物的適宜混合比例可有效促進黑水虻處理有機廢棄物，不僅可以增強黑水虻對有機廢棄物的處理能力，還可獲得更多的黑水虻生物量。

3.2 用好產業(yè)副產物

諸多產業(yè)副產物尚未得到高效利用。糧食和豆類加工廠廢棄物、屠宰場廢棄物等均可作為輔助物料補充底料的營養(yǎng)成分和改善底料的空間結構，在提高黑水虻幼蟲對底料轉化率的同時，實現(xiàn)產業(yè)副產物的高值化利用。

3.3 用好生物強化手段

微生物在黑水虻幼蟲處理有機廢棄物過程中發(fā)揮著重要的作用，參與物料分解和腸道消化等過程。通過添加外源或內源菌劑來調節(jié)黑水虻體系中的微生物群落結構，使體系內的降解功能菌成為優(yōu)勢種群，可促進黑水虻幼蟲對有機廢棄物的分解轉化。

隨著上述技術的不斷發(fā)展，黑水虻處理有機廢棄物產業(yè)化將日顯規(guī)模，為有機廢棄物的無害化、減量化和資源化提供有力支撐，為我國生態(tài)文明建設做出應有貢獻。