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好文推薦 | 帶你走進(jìn)黑水虻的世界

分類:固廢觀察    發(fā)布時(shí)間:2022年8月17日 9:19    作者:固廢觀察公眾號    文章來源:固廢觀察公眾號

近幾年,以黑水虻為典型代表的生物養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化技術(shù)作為一種新興工藝,被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)濕垃圾高效處理和資源化、減量化,且產(chǎn)品具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,正逐漸成為濕垃圾處理的熱點(diǎn)。目前有關(guān)黑水虻的科學(xué)研究、養(yǎng)殖技術(shù)、工程運(yùn)行等文章科普較不全面。因此,本欄目將基于上海城投(集團(tuán))有限公司設(shè)立的《老港固廢環(huán)??苿?chuàng)中心實(shí)證項(xiàng)目-濕垃圾生物資源化技術(shù)集成示范》及建立的50噸/日的三相固渣養(yǎng)殖黑水虻示范工程,推出以黑水虻為主題的系列科普文章,主要包括黑水虻基礎(chǔ)知識、自動(dòng)化養(yǎng)殖技術(shù)、蟲卵孵化、鮮蟲/干蟲利用、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)控制、蟲沙生物成肥、惡臭污染控制等系列,為黑水虻轉(zhuǎn)化濕垃圾的科學(xué)認(rèn)識和工程運(yùn)行提供全方位的科普。

作者簡介

周永泉  碩士,助理工程師,現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心研發(fā)工程師


馬 聰  博士,現(xiàn)任上海城投老港基地管理有限公司副總工程師


歐陽創(chuàng)  碩士,高級工程師,現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心副總工程師


顧南南  碩士,助理工程師,現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心研發(fā)工程師

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黑水虻的生物學(xué)特性


黑水虻中文學(xué)名亮斑扁角水虻,英文名black soldier fly(BSF),學(xué)名Hermetiaillucens。黑水虻起源于南美洲,主要以動(dòng)物的糞便和尸體為食,隨后隨著人類活動(dòng)向全球擴(kuò)散并定居。這種昆蟲起源于南美,后遷移至全球。目前主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶的大部分地區(qū)。我國也有這種昆蟲生存的地區(qū),目前主要分布在我國南方大部分地區(qū),在北方溫度較高的地區(qū)也有少量分布。

圖1 黑水虻的生活史周期


如圖一所示,黑水虻的生命周期分為卵、幼蟲、預(yù)蛹、蛹、成蟲五個(gè)蟲態(tài)的發(fā)育階段,是一種完全變態(tài)昆蟲。從卵到成蟲一般需要35天左右,卵的發(fā)育周期與溫度相關(guān),溫度越高,卵孵化的時(shí)間越短。卵的發(fā)育與環(huán)境濕度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系,濕度的增加會(huì)縮短卵孵化的時(shí)間。在溫度為27℃,空氣相對濕度為25%時(shí),卵的歷期長達(dá)5-6天;相對濕度在50~70%時(shí),卵的歷期最短,小于4天,相對濕度在60%時(shí),孵化時(shí)間僅3天。

圖2 黑水虻蟲卵孵化樣式[圖片來源:源創(chuàng)環(huán)境]


黑水虻的卵為塊狀,每個(gè)卵塊大約包含200-600個(gè)卵,單卵顏色為乳白色或者淺黃色,發(fā)育到后期會(huì)變成黃色。黑水虻幼蟲的生長可以分為6個(gè)階段,其中1~5齡幼蟲蟲體顏色為乳白色,稱為白蟲。白蟲的取食活躍,特別是在3~5齡時(shí)具有暴食性。6齡幼蟲蟲體為黑色,常稱為黑蟲,在這一階段,幼蟲將不再進(jìn)食,故而也被稱為預(yù)蛹。該階段黑水虻不再進(jìn)食,并且會(huì)不斷地消耗體內(nèi)的能源物質(zhì),此時(shí)的幼蟲適宜收獲作為飼料。

圖3 黑水虻預(yù)蛹階段(飼料化原料)

[圖片來源:源創(chuàng)環(huán)境]


黑水虻的蛹為圍蛹,蛹體較扁,顏色為暗褐色。頭端尖細(xì)、腹部末端向腹面45°彎折。黑水虻的成蟲體長一般在15~20 mm之間,體色以黑色為主,胸部有藍(lán)色或者綠色的金屬光澤,有時(shí)腹末略帶紅色。觸角鞭節(jié)較扁,觸角的長度約為頭長的兩倍。足基半部為黑色,端部的附節(jié)和前附節(jié)為白色。

圖4 黑水虻成蛹圖[圖片來源:源創(chuàng)環(huán)境]


成蟲體態(tài)像蜂,但身體光滑并且只有一對膜質(zhì)的翅。一般雌蟲要大于雄蟲,黑水虻在成蟲階段不再進(jìn)食所以不會(huì)主動(dòng)侵入人類的居室,不會(huì)傳染疾病,不屬于衛(wèi)生害蟲,這個(gè)階段主要依靠在幼蟲階段積累的脂肪存活。在適宜條件下,雌蟲交配后會(huì)尋找干燥的縫隙中產(chǎn)卵。

圖5 黑水虻的產(chǎn)卵場景[圖片來源:源創(chuàng)環(huán)境]


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黑水虻的主要成分


黑水虻是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)指定的可食用資源型昆蟲。黑水虻幼蟲富含活性蛋白、昆蟲脂肪、益生菌、抗菌肽及甲殼素,是各類動(dòng)物的最佳天然保健品,被譽(yù)為“動(dòng)物人參”,可作為動(dòng)物的主食或者飼料的補(bǔ)充,達(dá)到幫助消化、促進(jìn)生長、增強(qiáng)免疫力、使肉質(zhì)鮮美的作用?;钕x使用也可作為飼料的添加劑或者部分替代,例如替代飼料的10%,其成本低廉,但動(dòng)物的成活率、料肉比、肉質(zhì)感等都得到了很大的提高,養(yǎng)殖效益翻倍。

黑水虻干蟲含有44%-48%的粗蛋白,34%-35%的脂肪,黑水虻鮮蟲含有17%的蛋白質(zhì)和12%的脂肪,鈣磷比接近2,營養(yǎng)均衡全面,動(dòng)物適口性好。黑水虻必需氨基酸占氨基酸總量的50%以上。黑水虻的營養(yǎng)成分較為全面,含有動(dòng)物所需的多種氨基酸,其每一種氮基酸含量都高于魚粉,其必需氨基酸總量是魚粉的2.3倍,蛋氨酸含量是魚粉的2.7倍,賴氨酸含量是魚粉的2.6倍。黑水虻原物質(zhì)和干粉的必需氨基酸,總量分別為44.09%和43.83%,均超過糖食與農(nóng)業(yè)組織世界衛(wèi)生組織提出的參考值40%,其必需氨基酸總量/必需貧基酸總量值分別為0.79,0.78,均超出提出的參考值0.6。

圖6 黑水虻幼蟲干蟲營養(yǎng)組分分布

[圖片來源:《自然創(chuàng)造》微信公眾號]



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黑水虻幼蟲的飼養(yǎng)條件


黑水虻幼蟲養(yǎng)殖會(huì)受到溫度、相對濕度、光照條件、飼料含水量、重金屬、共生微生物等因素的影響(表1)。

表 1 黑水虻幼蟲養(yǎng)殖最佳條件


(1)溫度:黑水虻幼蟲的最適生長發(fā)育溫度是27~30℃。低于26℃成蟲不產(chǎn)卵,而溫度過高會(huì)導(dǎo)致幼蟲停止攝食。

(2)相對濕度:黑水虻幼蟲的最佳飼養(yǎng)相對濕度是70%~75%。濕度低于50%將會(huì)影響幼蟲的生長發(fā)育時(shí)間,濕度降低至30%幼蟲不再發(fā)育成蛹,成蟲產(chǎn)卵需要濕度達(dá)到60%左右。

(3)光照條件:成蟲的求偶和交配行為需要光照強(qiáng)度刺激,自然光最佳,但當(dāng)自然光不足時(shí),碘鎢燈被認(rèn)為是繁殖階段代替自然光照的適用設(shè)備,產(chǎn)卵高峰期卵量相當(dāng)于太陽光照強(qiáng)度下產(chǎn)卵量的61%。

(4)飼料含水量:黑水虻幼蟲在含水量70%的人工飼料條件下平均體重顯著高于50%和30%飼料條件,同時(shí),70%含水量條件比50%含水量的繁殖周期少約10天,含水量30%飼料條件下,幼蟲無法發(fā)育成預(yù)蛹。

(5)重金屬含量:重金屬會(huì)影響黑水虻幼蟲的生長發(fā)育,黑水虻用于處理含高濃度Zn(≥600mg/kg)的糞便時(shí),第5齡幼蟲、預(yù)蛹及蛹的重量均將顯著降低,同時(shí)發(fā)育時(shí)間延長,并且世代累積;當(dāng)畜禽飼料中Cu2+的濃度達(dá)到600mg/kg時(shí),幼蟲發(fā)育時(shí)間會(huì)顯著增加,羽化率顯著降低;當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到1200mg/kg時(shí),蛹的發(fā)育時(shí)間也會(huì)大大增加。

(6)共生菌:黑水虻幼蟲在無菌環(huán)境下,生長發(fā)育滯后,死亡率提高,而重新接種微生物清洗液后,其生長會(huì)逐漸恢復(fù)正常。同時(shí)昆蟲可以將環(huán)境中的細(xì)菌作為自己的共生菌來幫助自身的生長發(fā)育。

圖 7 微生物對黑水虻成蟲引誘作用


(7)其他條件:pH在5~10的情況下,發(fā)育過程差異不顯著,對堿性環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng);鹽度6%以下環(huán)境,黑水虻都有很好的適應(yīng)性;同時(shí)即使辣椒堿質(zhì)量濃度達(dá)到1%對黑水虻也沒有太大的影響。


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黑水虻主要的應(yīng)用方向


(1)黑水虻生物轉(zhuǎn)化有機(jī)廢棄物

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(diǎn), 因而擁有巨大的有機(jī)廢棄物處理潛力。黑水虻幼蟲為腐食性,在自然界中以動(dòng)物糞便和腐爛有機(jī)物為食,如雞糞、牛糞,腐爛的水果、蔬菜和肉類,腐敗的海產(chǎn)品及病死畜禽尸體等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前黑水虻幼蟲可處理的有機(jī)廢棄物達(dá)78種(包括混合有機(jī)廢棄物)。黑水虻幼蟲對單一有機(jī)糞便的處理率為20%~50%;對餐廚垃圾的處理率較高,達(dá)50%~70%。與其他廢棄物相比,餐廚垃圾營養(yǎng)更豐富,具有較高的生物轉(zhuǎn)化價(jià)值。利用餐廚垃圾飼養(yǎng)黑水虻養(yǎng)殖周期短、蟲體產(chǎn)量高、飼料轉(zhuǎn)化率和幼蟲存活率高,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。雖然不同地區(qū)飲食習(xí)慣差異造成餐廚垃圾成分含量的差異化,但研究表明黑水虻對饑餓、pH、辣度和鹽度等環(huán)境條件具有良好的耐受性,這為利用餐廚垃圾實(shí)現(xiàn)規(guī)模化黑水虻養(yǎng)殖提供了有力支撐。

(2)用于養(yǎng)殖行業(yè)

黑水虻幼蟲具有高蛋白、高脂肪的特點(diǎn),其氨基酸含量與魚粉類似,可以用于替代魚粉作為蛋白質(zhì)添加劑。研究人員利用黑水虻替代魚粉使得肉雞的體重顯著增加、干物質(zhì)攝入量未受影響,各器官和造血系統(tǒng)的完整性都得到了保證。相關(guān)學(xué)者利用黑水虻蟲粉替代豆粕飼養(yǎng)蛋雞,對蛋雞的產(chǎn)蛋和采食量沒有顯著差異,在喂養(yǎng)期間沒有出現(xiàn)死亡和健康障礙的跡象并且羽毛和傷口評分都保持穩(wěn)定。黑水虻蟲粉不僅可以用于畜禽行業(yè)的養(yǎng)殖,還可以用于水產(chǎn)行業(yè)的養(yǎng)殖。研究人員嘗試?yán)煤谒殿A(yù)蛹蟲粉部分取代魚粉來對羅非魚進(jìn)行飼養(yǎng),根據(jù)對采食量、飼料轉(zhuǎn)化率、體重變化等指標(biāo)的檢測,可以得出結(jié)論:可以用最多50%的黑水虻蟲粉替代魚粉而不會(huì)對飼料利用率等參數(shù)產(chǎn)生影響。有研究人員利用黑水虻蟲油替代大豆油飼養(yǎng)鯉魚,結(jié)果表明:25%的黑水虻蟲油替代大豆油與全部大豆油配方飼養(yǎng)的鯉魚效果一致。

(3)其他應(yīng)用

在歐美,黑水虻幼蟲對一些皮膚損傷的疾病具有良好的治療效果。黑水虻較廣的食譜使黑水虻本身具有強(qiáng)大的免疫機(jī)制。黑水虻幼蟲的甲醇提取物具有很強(qiáng)的抑菌活性,不僅對細(xì)菌的生長和增殖有很強(qiáng)的抑制作用,同時(shí)還具有阻斷細(xì)菌生存能力的特性;乙酸乙酯提取物在對抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌方面是有作用的,這表明黑水虻可能會(huì)成為新的抗生素的來源。黑水虻幼蟲除了含有很高的蛋白質(zhì)外,還含有很高的脂肪,這使得黑水虻幼蟲成為一種具有研究價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義的生物柴油原料。利用餐廚垃圾飼養(yǎng)的黑水虻幼蟲產(chǎn)生的生物柴油的產(chǎn)量幾乎翻了一倍,利用1kg的餐廚垃圾飼養(yǎng)1000頭黑水虻幼蟲,可產(chǎn)生大約 23.6 g 生物柴油。以該幼蟲為原料生產(chǎn)的生物柴油的甲酯組分為油酸甲酯(27.1%)、月桂酸甲酯(23.4%)、棕櫚酸甲酯(18.2%)。該部分的生物柴油的大部分性能符合EN14214標(biāo)準(zhǔn)。



來源 | 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院
作者 | 周永泉、馬 聰 、歐陽創(chuàng)、顧南南
編輯 | 匡宋堯

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