黑水虻蟲沙在肥料應用中的研究進展

強敬雯， 王晚晴，2， 唐曼玉， 武雙，2， 華威，2， 朱欣悅， 程艷玲，2*

（1.北京聯合大學生物化學工程學院，北京 100023； 2.北京聯合大學生物質廢棄物資源化利用北京市重點實驗室，北京 100023）

2050年全球預計將產生267億t廢棄物，其中，有機廢棄物占比高達44%，且常用處理方式為填埋（37%）和焚燒（33%）[1]。然而，這類處理方式會增加溫室氣體（greenhouse gas, GHG）排放量，GHG釋放到大氣中，導致有毒化合物和滲濾液中的營養物質對水源、土壤等造成污染，從而對環境構成嚴重威脅[2]。同時，世界人口的增長不僅會產生更多廢棄物，還需大幅增加全球糧食產量，但自然條件下產生的植物所需營養物質日漸枯竭，且傳統化肥不僅會造成土壤有機質和腐殖質缺乏、作物品質下降，還易導致農產品中硝酸鹽含量超標，從而危害人體健康。因此，必須尋求更安全有效的廢棄物處理方法，在確保宜居性的前提下，減輕社會經濟壓力和環境影響[3]。

黑水虻（black soldier fly, BSF）生物轉化有機廢棄物技術是一種可持續性資源化處理方式，其可將有機廢棄物轉化為2種產品：富含蛋白質和油脂的幼蟲，可作動物飼料[4]；以及在此過程中產生的蟲沙，可作有機肥料[5]。Salomone等[6]指出，蟲沙是黑水虻幼蟲（black soldier fly larvae, BSFL）處理有機廢棄物過程的主要產出之一，它可作為有機肥來改善土壤性狀，提高作物產量和品質，從而替代部分傳統氮肥，降低全球變暖潛力，且BSFL蟲沙在用水量、能源支出、全球變暖潛力等方面比生產其他有機肥料對環境的影響更小，這意味著BSFL蟲沙在飼料和食品應用方面具有很強的潛力，將蟲沙應用于農業有望成為解決植物營養物質短缺的備選方案。然而，目前研究更多的側重于提高BSFL在處理有機廢棄物過程中獲得的幼蟲生物量，在蟲沙的使用及其在農業方面應用的研究較少。本文綜述了BSFL處理有機廢棄物后所得蟲沙的特性及其應用，介紹了與BSFL蟲沙相關的知識，并強調了使用蟲沙作為補充劑改善植物營養和土壤肥力的優勢所在，為應用BSFL作為低成本替代方案的可行性提供了參考。

1 黑水虻資源化處理有機廢棄物

有機廢棄物具有較高的有機質含量和營養成分，是回收后重新引入其他生產鏈的寶貴資源。BSFL可降解75%（（干重，dry matter, DM）的雞糞，并將其轉化為任何形式的增值產品，且使用相同廢棄物作基質時，其轉化過程中產生的GHG排放量不到好氧堆肥的2.5%[7]。因此，BSFL處理有機廢棄物后所得產品（幼蟲生物量和蟲沙）不僅在環境和經濟上具有可持續性，還有助于推動循環生物經濟。

1.1 黑水虻轉化有機廢棄物及碳氮回收過程

BSFL在快速減廢方面能力卓越。有研究表明，使用BSFL單獨處理廚余垃圾、牛糞和豬糞的廢棄物減少量分別為68%、58%和56%（DM）[8]。然而，Surendra等[9]發現，廢棄物消耗量與其自身特性高度相關，且使用多種廢棄物作混合基質比單獨使用某類廢棄物作基質時的減少量有明顯提升。Lopes等[10]發現，用面包和水產養殖廢物的混合物喂養BSFL時，總氮損失有效減少34%。這可能是由于BSFL堆肥時的pH較低(5.7～6.8)，改變了NH+4和NH3間的平衡關系，促進了NH3向NH+4轉化，從而減少了NH3揮發[11]。Pang等[12]也發現，用不同pH的廚余垃圾和稻草混合物喂養BSFL時，總氮損失在2.1%～30%，且pH較低時NH3揮發量有所減少，而總碳減少量在10%～24%，其中大部分碳以CO2形式損失，小部分以CH4形式揮發。也有研究表明，氮元素大部分以NH3形式流失到大氣中，少量以N2O形式散失[13]。CH4的生成取決于BSFL堆肥過程中飼料基質類型及其含水率，含水率越高CH4排放量越高。然而，磷和鉀在生物可降解物質中主要以不溶形式存在，因此這些元素不會揮發丟失。對此，Parodi等[14]用商業飼料（47%酵母濃縮液、47%馬鈴薯淀粉和6%粘合劑）喂養BSFL并評估了系統中碳、氮、磷和鉀的總排放量，發現約57%的碳最終轉化為糞便，20%轉化為幼蟲生物量，24%以CO2的形式揮發流失；最終，62%的氮保留于蟲沙中，38%被幼蟲回收，且氮損失大于總氮含量的1%。然而，若在CO2達到峰值前關閉系統，即可有效避免氮損失。另外，在添加底物過程中，分批補料比一次性補料的生物轉化率更高，但可能會增加排放量計算模式的復雜程度[15]。

此外，幼蟲含量、飼料添加量和取食策略等工藝技術參數對整個工藝效率及排放量有很大影響，這些工藝參數決定了BSF的數量、大小以及GHG總排放量[16]。同時，蟲沙的后處理也是導致GHG排放的主要原因。研究表明，蟲沙在自然條件下進行二次堆肥，其最初存在的碳有49%以CO2的形式排放，但對其實施強制曝氣可使CO2排放量下降至29%，且分別減排了72.6%～99.9%的CH4和99.6%～99.9%的N2O，故好氧條件有利于減少蟲沙在后處理過程中的GHG排放[17]。總而言之，BSFL技術所產生的環境影響主要由廢棄物類型、處理過程（工藝參數和投料方式）、后處理策略和處理時間幾項因素決定。

1.2 不同有機廢棄物對蟲沙產量的影響

使用理化特性不同的有機廢棄物飼養BSFL所得蟲沙產量不同，適宜的底物基質可有效提高固廢減少率。研究表明[18]，飼料基質的減少率并不等同于蟲沙生產率。Lalander等[19]用廚余垃圾、禽畜糞便、人類糞便和家禽飼料喂養BSFL時，蟲沙總產量分別約占投喂總量的45%、40%、52%和15%（DM）。然而，評估蟲沙產量應與其他工藝參數相結合，以判斷該工藝是否將蟲沙與未消耗底物進行有效分離，從而影響試驗結果的準確性。因此，蟲沙的有效生產率應與生物轉化率、底物消耗率和最終幼蟲重量等工藝參數一起評估。表1總結了不同有機廢棄物飼養BSFL的蟲沙產量。

表1 不同有機廢棄物飼養BSFL的蟲沙產量［13-18］Table 1 Frass yield of BSFL fed with different organic wastes［13-18］

2 蟲沙特性

2.1 營養成分

BSFL蟲沙的營養成分組成與其飼料類型相關。Setti等[20]使用家蠅專用飼料喂養BSFL，所得蟲沙中氮、磷和鉀含量分別為44、52 和41 g·kg-1；Klammsteiner等[21]分別用雞飼料、草廢料和果蔬廢料喂養BSFL，所得蟲沙中氮含量在18.3～25.9 g·kg-1。經統計，進食不同有機廢棄物的BSFL蟲沙中總碳和總氮含量變化不大，分別在37%和3%左右，而總磷（1%～5%）和總鉀（0.5%～4.1%）含量差異顯著[22]。此外，微量元素也隨基質的不同而變化，但pH（7.5左右）和碳氮比（C/N，約為15）變化較小。相關研究表明[23]，僅喂食碳水化合物（面包廢料）的BSFL，其蟲沙中氮含量為15.2 g·kg-1，而添加少量富含蛋白質的魚內臟(5%～15%)后，其營養含量可從18.4 g·kg-1增加到23.8 g·kg-1。因此，調整BSFL飼料類型可獲得不同營養成分的最終產品。

Palma等[24]用不同含量水平的杏仁殼喂養BSFL，蟲沙中氮、磷和鉀含量分別為12.3～22.3、17.9～44.6和0.22～0.82 g·kg-1，這是由于不同含量基質中碳水化合物、蛋白質和纖維含量不同，而高水平糖、淀粉和蛋白質與低水平纖維有利于營養物質在蟲沙中積累，使得各元素含量有所差異。Sarpong等[25]用不同含量水平的城市固體廢棄物喂養BSFL，發現幼蟲體內氮、磷和鉀含量大幅增加，蟲沙中各營養元素水平分別達到4.8、0.9和0.6 g·kg-1，這可能與基質中干物質含量隨著時間推移而減少，以及幼蟲在此過程中排出的微生物有關。此外，鉀、鎂、錳和銅等元素通常以低水平存在于BSFL蟲沙中，鉀含量一般低于其他主要營養物質，且不易回收。Song等[26]用秋葵和麥麩混合物喂食BSFL，產生蟲沙中的氮、鉀含量分別為47.80和0.98 g·kg-1；Beesigamukama等[27]用啤酒廢谷物喂食BSFL，其蟲沙中氮、磷、鉀含量分別為21.0、11.6和1.7 g·kg-1。因此，蟲沙中氮、磷含量由底物基質類型決定，而鉀含量與其相關性不大。

2.2 穩定性

堆肥腐熟度和穩定性是判斷有機肥能否施用的重要指標。若堆肥后產物缺乏穩定性或植物毒性過高會阻礙土壤有機質降解和營養物質礦化，使得養分無法在土壤中被根系同化，從而導致植物負營養異常[28]。因此，需選擇適宜BSFL生長的有機廢棄物作為基質或對其采取后處理措施，以提高產物穩定性，最終達到生物肥料標準。

Alattar等[29]將以廚余垃圾為基質產出的BSFL蟲沙與土壤以1∶2進行混合，栽培玉米10周后發現植物生長受阻，可能是由于混合基質中銨含量過高，產生大量氨氣或亞硝酸氣導致基質酸堿失衡，進而影響作物生長。當用BSFL處理雞、豬和牛糞時，Liu等[30]通過種子發芽試驗發現，雞糞組植物毒性最高，而其他組蟲沙較為穩定，電導率低，萌發指數更高。這可能是由于雞糞導電性強，且NH+4-N水平較高，導致其產物不成熟，但對其進行進一步堆肥可起到有效改善。然而，Xiao等[31]發現，以接種了枯草芽孢桿菌的雞糞為基質產生的BSFL蟲沙作肥料時，大白菜和油菜種子所含植物毒性水平隨時間推移而下降，且BSFL處理13 d后的蟲沙作肥料時發芽指數可達66%以上。相關研究也表明，用麥麩、苜蓿草粉和玉米粉作為BSFL飼料基質時，萵苣種子的發芽指數超過70%，且不存在植物毒性，但較老植株在高水平蟲沙中生長情況較差[32]。

此外，還可通過C/N評估蟲沙在土壤中的穩定性和性能。為避免土壤中某些礦物質被固定，導致生長不良，化肥的C/N一般控制在20～40。然而，蟲沙的C/N因餌料不同而存在一定差異，且一般低于BSFL生長所用的飼料基質[25]，BSFL堆肥可使生活垃圾和杏仁副產品的C/N分別從48和73下降到17和20。Beesigamukama等[33]認為，用于BSFL生長的飼料基質C/N應在15～30，以便產生穩定的、無毒的蟲沙。

腐殖質的形成是判定堆肥穩定性和成熟度的關鍵指標之一，但腐殖質與BSFL處理有機廢棄物的關系尚未明確[34]。相關研究表明[35]，對BSFL蟲沙進行8周好氧堆肥后，其營養含量和穩定性有所提高，表明堆肥中形成了腐殖酸和其他代謝物。此外，其他生命周期長于BSFL的昆蟲物種（蚯蚓、粉蟲）可加速生物可降解材料中有機物的穩定[36]，若將蟲沙用于蚯蚓堆肥有望提高其穩定性并產生豐富的營養物質。同時，將蟲沙用于厭氧消化生產沼氣在經濟上具較強的可行性。因此，上述方法均可作為蟲沙的后處理方案，以便在提高堆肥穩定性和成熟度的同時推進生物循環經濟的可持續發展。

2.3 微生物組成及其作用

2.3.1 微生物組成 蟲沙中微生物的組成及其改變土壤微生物菌群的能力是將其應用于農業的重要考察點[37]。目前，農業生產高度依賴于化肥，長期使用會惡化農田土壤肥力[38]。而有益微生物可提高土壤養分利用率、抵抗非生物脅迫，從而促進植物生長[39]。已有研究表明[40]，蟲沙中所含假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、農桿菌屬等20多個種屬可作為植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)，在改善土壤質量、植物性能和作物產量，尤其在提高作物生產力、刺激植物生長及抑制病原體等方面發揮著重要作用。此外，BSFL可顯著抑制有機廢棄物中的沙門氏菌和大腸桿菌[41]。Erickson等[42]使用BSFL處理雞糞后，發現腸道沙門氏菌減少了4 logCFU·g-1，大腸桿菌減少了5 logCFU·g-1。另有研究報道[43]，BSFL可使人類糞便和豬糞混合物中沙門氏菌顯著減少(＞7 logCFU·g-1)，但未發現耐熱大腸菌群失活。因此，BSFL蟲沙的微生物成分可使農業系統更具可持續性。

Wynants等[44]研究表明，BSFL蟲沙中微生物組成與幼蟲飼料基質相關。用家庭有機垃圾喂養的BSFL，所產蟲沙中微生物組成與其他肥料（牛、馬和禽糞）作基質時不同[45]，乳酸菌、芽孢桿菌、放線菌和假單胞菌等益于植物生長的孢子蟲屬和棒狀桿菌豐度較高，但變形菌門的存在可能導致植物患病，且病原菌和真菌同時存在可能會對農業構成一定風險。因此，為避免交叉污染，若干全球立法禁止在農田中施用沙門氏菌、大腸桿菌、耐熱大腸菌群等微生物超標的化肥。然而，BSFL在處理某些生物污染物（蛔蟲卵）和真菌衍生污染物（黃曲霉毒素）時，其含量雖低于我國現行飼料衛生標準（10～50 g·kg-1），但毒素仍存在于糞便和幼蟲生物量中，無法根除，這可能會在農業使用中存在安全隱患[46]。因此，后續研究不僅要保證BSFL蟲沙的生物穩定性，還需滅活其中所含的化學和生物污染物。

2.3.2 微生物對植物的促進作用 生物活性物質會對根際土壤產生刺激作用，并增強植物新陳代謝功能，從而在整體上促進植物生長[47]。Poveda等[48]發現，BSFL蟲沙是生物活性物質的良好來源，其在可持續農業實踐中的作用如圖1所示[49]。Schmitt等[50]報道，BSFL蟲沙中的腐殖酸在代謝過程中會與土壤微生物相互作用，從而釋放生長素和細胞分裂素等生物刺激素[51]，以降低生物和非生物脅迫對植物新陳代謝的影響，進而改善其生理機能。因此，腐殖酸代謝會在一定程度上促進蟲沙中生物刺激素的形成。然而，目前對于蟲沙中生物刺激素的相關研究尚未完全明確。Antonov等[52]研究發現，使用1%蟲沙水浸提取物作橡膠樹生物刺激素時，松樹脂產量提高了20%，但并未對蟲沙中的營養成分或生物活性物質進行描述，仍需進一步探究BSFL蟲沙中的微生物組分特征。

圖1 黑水虻蟲沙在可持續農業中的作用［49］Fig.1 Role of black soldier fly frass in sustainable agriculture［49］

此外，植物生長促進微生物（plant growthpromoting microorganisms, PGPM）能調節植物中的多種代謝功能和生理機制，以提高其營養吸收效率、非生物脅迫耐受性和作物品質[53]。Poveda等[54]研究表明，BSFL蟲沙中所含微生物可能具備這種能力，其中多種芽孢桿菌會產生生長素（促進生長并增加耐旱性）、細胞分裂素（刺激根系分泌）、茉莉酸（誘導耐鹽脅迫）、赤霉素（提高種子萌發率、增強營養代謝、調節內源植物激素、誘導耐熱性）等對植物有益的生長激素。盡管與化肥相比，蟲沙中礦物質含量相對較低，但其所含生物刺激素和PGPMs種類豐富，仍然可為植物帶來固氮、增磷和增鉀、生長素生產等多重效益。

3 蟲沙對植物生長的影響

3.1 單基質對蟲沙應用于植物生長的影響

Choi等[55]將以廚余垃圾為基質產出的蟲沙與一種營養成分相似的商業肥料進行對比，發現施用蟲沙的植株除了對磷的吸收率較低外，氮、鉀、有機質以及植株的葉片數量、葉長、葉寬和養分積累量均相近。Chirere等[56]對BSFL蟲沙進行了4 d短期堆肥，結果顯示，瑞士甜菜的生長速率高于未施肥組，且與無機氮磷鉀肥料生長情況相似。同樣，Quilliam等[57]將以家禽糞便、啤酒廠廢物和綠色廢棄物為基質生長的BSFL蟲沙作為種植玉米、辣椒和青蔥的肥料，結果發現，單獨使用3種BSFL蟲沙（2.5～10.0 t·hm-2）時，植物生長狀態均與施用雞糞相似，將其與氮磷鉀肥料混合使用時植株生長狀態更佳。

3.2 混合基質對蟲沙應用于植物生長的影響

Alattar等[58]使用蟲沙與土壤質量比為1∶2的混合物作玉米植株肥料，發現其對植物生長的負面影響（矮小或葉片少）高于廚余垃圾肥料，這可能是由于蟲沙中高水平的氨造成的。G?rttling等[59]將BSFL處理有機廢棄物的3種副產物（糞便、幼蟲皮和死成蠅）與土壤混合后作為玉米植株的土壤改良劑進行了盆栽試驗，發現三者氮用量為180～215 kg·hm-2，P2O5用量約為75 kg·hm-2，與其他副產物和商業肥料相比，它們在干物質產量、葉面積和養分利用效率等方面均處于劣勢。其施肥性能差的原因可能是由于粗粒肥以磷為主，且不具備促進某些作物生長的最佳營養成分。然而，Houben等[60]將蟲沙堆肥112 d，并將其在番茄、羽衣甘藍和法國豆角中的施肥潛力與商業有機肥料和化肥等其他土壤改良劑在溫室和田間條件下進行比較，發現與未施肥和施用單一肥料組相比，蟲沙與氮磷鉀肥料混合組在植株生長、作物產量、氮吸收和養分利用效率方面效果最佳。此外，單獨使用蟲沙堆肥也對以上3個物種起到了促進作用，這可能是由于蟲沙堆肥增強了有益微生物對土壤性質和作物產量的提高效應。

3.3 蟲沙碳氮含量對植物生長的影響

Chiam等[61]使用以秋菜籽為基質，且含量不同（10%、20%和30%）的BSFL蟲沙作為萵苣肥料，發現粗渣中含有高水平氮(50 g·kg-1)、磷(0.3 g·kg-1)和鉀(2 g·kg-1)，這種非預期生長反應可能是低C/N（7.2）使得土壤中養分迅速礦化所致。Rummel等[62]將氮劑量為170 和510 kg·hm-2且來源不同的BSFL蟲沙應用于淋溶土中，發現蟲沙C/N較低時氮的礦化和固持作用較強。此外，碳和氮的礦化動態與喂養BSFL的基質質量高度相關，在此過程中微生物代謝是氨氮的主要來源，故蟲沙中銨氮含量直接決定了土壤中氮礦化率和固持率[63]。因此，施用蟲沙后土壤中大量的碳和氮會導致N2O排放升高，從而減少土壤有機碳的固存，使得蟲沙的碳足跡可能高于預期。然而，由于土壤成分及其行為較為多變，至今為止蟲沙的肥力仍未被完全開發。

3.4 蟲沙施用量對植物生長的影響

Kawasaki等[64]研究表明，BSFL蟲沙施肥量較高（1/10）會使蕓芥患黃葉病，但當施肥量為土壤量1/30～1/20時可有效促進其生長。有研究比較了3齡幼蟲在自然堆肥和好氧堆肥下對白菜生長的影響，發現新鮮蟲沙施用率超過10%會導致白菜發育不良，并減少了生物量生產；然而堆肥5周后，使用含量高達40%的蟲沙可有效促進其生長，表明蟲沙在施用前是否達到穩定狀態至關重要[65]。相反，Menino等[66]發現，BSFL蟲沙含量需達到黑麥草總氮需求量的25%～150%，才可使其穩定生長。此外，蟲沙中有機質、P2O5和K2O對于提高土壤肥力具有正面促進作用，表明蟲沙作為生物肥料有望代替傳統化肥，但需進一步探討植物生長所需的適宜施用量。

3.5 黑水虻幼蟲及蟲沙可作動物飼料和生物肥料

Hamid等[67]指出，BSFL中富含的甲殼素使其具有防治動植物病害的能力，這種生物防治特性可減少全球農業對殺蟲劑的依賴。BSFL蛹殼中所保留的甲殼素能夠破壞線蟲卵殼和植物病原真菌細胞壁，從而對其產生抑制作用。因此，向土壤中添加富含甲殼素的物質時，可能會促進幾丁質分解菌的形成，進而使真菌和線蟲喪失活力。有研究調查了BSFL中甲殼素在實際應用中的益處，Vilela等[68]發現BSFL作飼料對肉雞的免疫系統具有正向調節作用；Kroeckel等[69]研究表明，使用BSFL喂養的比目魚生長性能明顯高于對照組，這可能是由于甲殼素促使BSFL增大了進食量，從而加快了其生長速率和營養吸收能力，進而提高其機體的免疫功能。因此，BSFL及蟲沙中的甲殼素不僅能有效清除土壤植物系統中的真菌病原體和其他害蟲，且使用其作飼料還可提高養殖產品質量。

BSFL蟲沙中植物營養素豐富，將其用作生物肥料不僅能增加土壤中有機物水平，還可提高植物有效養分比例。Beesigamukama等[70]將堆肥5周的蟲沙添加到強淋溶鐵鋁土中，發現其在30～60 d內均處于穩定狀態，隨后土壤中氮、磷、鉀的釋放量均明顯高于未施肥組，表明蟲沙中的營養物質發揮了礦化作用。然而，蟲沙中營養物質的固定和礦化作用高度依賴于自身C/N、生物穩定性等特性因素。總結不同來源BSFL蟲沙的化學屬性（表2）后，發現蟲沙組分與其基質間的差異導致了最終產物在土壤中的多變性。

表2 不同有機廢棄物飼養BSFL所產蟲沙的化學屬性［67］Table 2 Chemical attributes of frass derived from BSFL with different organic wastes［67］

4 展望

BSFL蟲沙作有機肥料對促進農業可持續發展具有巨大潛力，其產品可推動全球綠色（農業、園藝、生態恢復）和棕色產業（土壤健康、土壤肥力、侵蝕管理）加速發展，有利于實現“雙碳”目標。然而，蟲沙中磷、鉀和微量元素的水平高度依賴于飼料基質，且無法作為喜磷作物的最佳肥料，但將其與氮肥按適當比例混合施用即可做到平衡施肥。此外，由于飼料基質和快速堆肥過程中的有毒有害物質會降低BSFL蟲沙生物穩定性，故需對其采取混合堆肥、高溫堆肥、蚯蚓堆肥或用作粉蟲飼料等后處理措施，才可減少植物毒性并促進腐殖質形成，使其達到高度穩定狀態[71]。但目前對于BSFL轉化有機廢棄物過程中腐殖酸、黃腐酸、植物激素、短鏈蛋白和氨基酸的物質形成及PGPMs對BSFL作用機制的調查還不全面，仍需進一步研究，以開發生物活性物質和有益微生物在此過程中的積極作用，從而推動BSFL蟲沙成為循環生物經濟產品，進而實現有機廢棄物的資源化利用，最終達到環保與經濟雙贏的“雙碳”目標。