黄粉虫幼虫降解城市污泥环境影响因子研究

李双喜，周文宗，吕卫光*

1. 上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2. 农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海 201403；3. 上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403；4. 上海市农业环境保护监测站，上海 201403

黄粉虫幼虫降解城市污泥环境影响因子研究

李双喜1,2,3,4，周文宗1,2,3,4，吕卫光1,2,3,4*

1. 上海市农业科学院生态环境保护研究所，上海 201403；2. 农业部上海农业环境与耕地保育科学观测实验站，上海 201403；3. 上海市设施园艺技术重点实验室，上海 201403；4. 上海市农业环境保护监测站，上海 201403

黄粉虫（Tenebrio molitor L.）含有丰富的营养物质和多种氨基酸，常被作为特种畜禽养殖的鲜活饵料或蛋白质饲料添加剂，但是其饲喂原料要么成本较高，要么为了降低成本而导致其死亡率上升。利用城市污泥饲喂黄粉虫幼虫，以期达到既降低黄粉虫饲喂成本，又为城市污泥的资源化利用提供一个新的解决途径的目的。采用正交试验设计进行了四因素多水平试验，研究不同环境影响因子（温度条件、污泥和麦麸配比比例、黄粉虫幼虫饲养密度及虫体规格大小）对黄粉虫幼虫生长速率、死亡率的影响，通过分析比较试验饲养前后黄粉虫及虫粪和饲料剩余物混合物中营养成分、金属元素含量变化，探讨黄粉虫幼虫在城市污泥中生长的适宜条件，以及黄粉虫处理城市污泥的效果。利用城市污泥饲喂黄粉虫幼虫时，饲养温度在20～25 ℃，饲养密度为0.2 g∙cm-2，污泥和麦麸配比为1∶1时黄粉虫幼虫生长快，死亡率低。利用城市污泥喂养后黄粉虫幼虫氮含量显著降低（P＜0.05），磷、钾、钙、镁含量提高；提高；与城市污泥相比，黄粉虫幼虫虫粪的磷含量显著提高（P＜0.05），氮、钾、钙、镁含量则降低。

黄粉虫；城市污泥；生长状况；环境因子

黄粉虫（Tenebrio molitor L.）又名面包虫，属于昆虫纲、鞘翅目、拟步甲科节肢动物。黄粉虫营养丰富，粗蛋白干物质在成虫、幼虫和蛹中含量分别达63.19%、47.70%和55.23%以上（张号杰等，2015）。由于其具有丰富的营养物质和多种氨基酸，人们将它作为特种畜禽养殖的鲜活饵料或蛋白质饲料添加剂（王应昌等，1996），同时将其作为营养液、保健食品以及烘焙食品的开发研制也是研究的热点（张号杰等，2015；崔蕊静等，1999）。黄粉虫幼虫食性杂，目前报道麸皮、厨房废弃物、作物秸秆、菇渣（于辉等，2011；闰景彩等，2010；朱冠元等，2016；何勇等，2016）、禽畜粪（曾祥伟，2012），甚至泡沫塑料等都可以作为其饲料来源（Yang et al.，2014；Yang et al.，2015a；Yang et al.，2015b；Yang et al.，2016）。曾祥伟等（2012）利用发酵牛粪作为黄粉虫幼虫混合饲料，认为60%的牛粪与常规饲料配比可以使黄粉虫幼虫生长周期延长 20 d，单体取食总量增加 49%；何勇等（2016）研究不同平菇菌渣培养黄粉虫幼虫的影响，发现麸皮中添加 10%平菇菌渣可提高黄粉虫幼虫生长速度，且增重较为明显；高红莉等（2006）研究了不同饲料种类对黄粉虫生长发育的影响，认为精饲料和青饲料搭配处理黄粉虫幼虫、增重率、死亡率等方面均优于其他处理。Yang et al.（2014；2015a；2015b；2016）从生物处理的角度，利用聚苯乙烯泡沫塑料饲喂黄粉虫幼虫，发现黄粉虫幼虫可存活1个月以上，其所啮食的聚苯乙烯被完全降解矿化为 CO2或同化为虫体脂肪。国内外对黄粉虫幼虫的不同饲料来源（于辉等，2011；闰景彩等，2010；朱冠元等，2016）、生存环境温湿度（何勇等，2016；曾祥伟，2012 ；Yang et al.，2014；Yang et al.，2015a；Yang et al.，2015b；Yang et al.，2016；张仕等，2010；张丹等，2008；杨文乐等，2013）及饲养条件（高红莉等，2006；）对黄粉虫幼虫生长的影响已经有不少报道。

但是，现有的报道仍无法有效解决黄粉虫饲喂成本高这一瓶颈，亦或降低饲料成本后出现黄粉虫死亡率升高等问题，有关黄粉虫生长的最佳生态条件，尤其是大量饲养黄粉虫时的温度、虫口饲喂密度、虫体大小等环境条件与黄粉虫生长及死亡率（包括自相残杀死亡率和因病引起的自然死亡率）、老熟幼虫化蛹率与虫体营养成分的关系的影响，在国内外的研究中还不够深入。城市污泥含有大量的N、P、K及有机质，还有大量的铁、铝、钙、镁、硫、钠等元素，污泥中营养元素还有缓释性和长效性的特点，污泥总体上是一种富含有机质（但C/N较低，一般低于 10）、高氮、高磷而低钾的有机混合物（郭广慧等，2009）。能否利用黄粉虫耐粗饲料特点利用城市污泥进行配比饲喂，同时对城市污泥进行资源化利用？如何提升黄粉虫幼虫对城市污泥的适应性？这方面的研究尝试还鲜有报道。基于以上两个问题，本文采用正交设计进行了四因素多水平试验，研究不同生态影响因子（温度条件、污泥和麦麸配比比例、黄粉虫幼虫饲养密度及虫体规格大小）对黄粉虫幼虫生长速率、死亡率的影响，通过分析比较试验饲养前后黄粉虫及其虫粪中营养成分、金属元素含量变化，探讨利用城市污泥养殖黄粉虫幼虫的最适宜条件，以期为黄粉虫养殖以及城市污泥生物处理提供可以借鉴的方法和思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料和条件

黄粉虫：黄粉虫幼虫购自上海市奉贤区某花鸟市场，在室内饲养5 d后，试验容器为一次性塑料杯，上口径为6.5 cm，下口径为5.2 cm，底面积为21.2 cm2。用10～20目筛子筛选个体大小一致的虫体进行试验，黄粉虫幼虫规格体重分别为(85.6±5.79) mg和(35.1±4.8) mg，试验周期的前后一天均不饲喂。

污泥和麦麸：污泥样品采自浦东某污水处理厂，为经干湿分离后晾晒15 d的固体污泥；麦麸购自上海市奉贤区某农贸市场，为郑州当年小麦的新鲜麦麸。

试验室内光温条件：温度23～28 ℃，湿度60%～70%，光照条件为自然光照（光照度小于300 lx），试验时间15 d。

试验用黄粉虫幼虫、城市污泥、麦麸成分见表1。

1.2 试验设计

试验按照四因素多水平进行正交设计，选择环境温度条件（X1）、饲养密度条件（X2）、饲料配比比例（X3）、幼虫个体规格大小（X4）作为试验因素，各试验因素变量设计水平编码见表2。

试验前测定污泥、麦麸、黄粉虫幼虫干物质含量、有机质、金属元素、N和P（P2O5）含量以及黄粉虫幼虫体重。原料经 60目筛子过筛，将未通过筛子的污泥与麦麸按比例配好（干重），一层污泥一层麦麸，每天按照幼虫体重的 15%投喂饲料（通过添加蒸馏水控制饲料含水率为15%），试验持续15 d，及时捡出死亡的虫体，并统计其数量（为幼虫死亡数）。试验结束后，将黄粉虫幼虫挑出并统计幼虫数，测定黄粉虫幼虫和虫粪与饲料剩余物混合物的重量，干物质含量，有机质含量，氮，磷，钾、钙、镁等金属元素含量。

1.3 检测方法

1.3.1 干物质含量测定

检测黄粉虫幼虫、麦麸、污泥、虫粪和饲料剩余物混合物的干物质含量，需先对相关样品进行称重（W1），然后放入恒温箱中，在 70 ℃下烘 24 h后再次称重（W2），计算干物质含量。

表1 试验用黄粉虫幼虫、城市污泥、麦麸成分Table 1 The contents of Tenebrio molitor L., sweage sludge, wheat bran

表2 黄粉虫饲养条件试验因素水平编码Table 2 Factors of the rearing condition of Tenebrio molitor L. and level

1.3.2 有机质测定

重铬酸钾容量法：参照有机肥料标准（NY525—2012）有机质含量测定方法（中华人民共和国农业部，2012）。

1.3.3 虫粪的分离

将烘干后的虫粪与饲料剩余物混合过 60目筛子，虫粪可通过筛子，而饲料剩余物（包括污泥和麦麸）不会通过。

1.3.4 氮磷测定

参照有机肥料标准（NY525—2012）中全氮含量的测定方法，将经 70 ℃烘干的黄粉虫幼虫、麦麸、污泥、虫粪和饲料剩余物混合物等样品经过硫酸-双氧水消化后，用凯氏定氮仪测定样品含氮量，用钼锑抗比色法测定样品含磷量（中华人民共和国农业部，2012）。

1.3.5 增重率、死亡率

增重率=(试验后幼虫体重-试验前幼虫体重) /试验前幼虫体重×100%

死亡率=总死亡数/试验开始时的幼虫数×100%

1.3.6 金属元素含量的测定

参照有机肥料标准（NY525—2012）中全氮含量的测定方法将烘干的样品经过硫酸-双氧水消化，稀释后用ICP测定钙、镁、钾等金属元素含量（中华人民共和国农业部，2012）。

1.4 数据统计分析

所得数据运用Excel和SPSS 17.0进行统计分析，以环境温度条件、饲养密度条件、饲料配比比例、幼虫个体规格大小为自变量，分别以试验结束时幼虫增重率、死亡率、幼虫干物质含量、幼虫氮含量、幼虫磷含量、金属元素含量等指标为因变量，采用Duncan多因素方差分析进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 城市污泥对黄粉虫幼虫生长状况的影响

黄粉虫幼虫按照正交设计分组进行试验，试验周期结束后幼虫的增重率、死亡率、N含量、P含量、有机质含量测定结果如表3所示。Duncan多因素方差分析结果列于表 4。随着饲养温度的提高，黄粉虫幼虫增重率和死亡率都显著增加，这与其他饲料喂养黄粉虫的情况类似，除了 20 ℃和 25 ℃之间差异不显著外，其他温度之间的差异都达到显著水平（P＜0.05）；幼虫干物质含量和有机质含量则随着温度的提高而降低，干物质含量在除了 20 ℃和 25 ℃之间差异不显著外，其他温度之间的差异都达到显著水平（P＜0.05）；有机质含量除了15 ℃和 20 ℃之间差异不显著外，其他温度之间的差异都达到显著水平（P＜0.05）。黄粉虫幼虫密度、污泥与麦麸配比比例对幼虫的增重率和死亡率的影响都不显著，但是对幼虫干物质含量和有机质的影响显著（P＜0.05），密度为 0.1 g∙cm-2的试验组干物质含量显著高于其他试验组，密度为0.1 g∙cm-2和0.2 g∙cm-2试验组的幼虫有机质含量著显高于其他密度试验组（P＜0.05）。污泥和麦麸配比为2∶1和1∶1的试验组幼虫的干物质含量和有机质含量差异不显著，但与其他试验组相比，差异显著（P＜0.05）；随着污泥用量的增加，黄粉虫幼虫干物质含量减少，有机质含量增加。黄粉虫幼虫体重的差异对其增重率、死亡率、干物质含量和有机质含量的影响不大，两种体重幼虫的上述指标差异都不显著。因此，利用城市污泥喂养黄粉虫时，对饲养温度、密度、污泥和麦麸配比应该分别选择 20～25 ℃、0.2 g∙cm-2、1∶1 较为合适。

表3 黄粉虫幼虫饲养条件试验设计及结果Table 3 Experimental design and result of the rearing factors of Tenebrio molitor L.

表4 城市污泥对黄粉虫幼虫生长状况影响方差分析Table 4 Duncan comparisons: the effect of sewage sludge on the grow of Tenebrio molitor L.

2.2 试验条件对虫粪和饲料剩余物混合物干物质含量和有机质的影响

经城市污泥喂养15 d的黄粉虫幼虫，其虫粪和饲料剩余物混合物干物质含量、有机质含量及方差分析结果分别列于表3和表5。温度和幼虫规格的改变对该混合物的干物质含量和有机质含量的影响没有达到显著性水平，因此不在表5中列出。剩余混合物的干物质含量在密度为0.2 g∙cm-2时最高，0.1 g∙cm-2时最低，0.4 g∙cm-2和 0.6 g∙cm-2时差异不显著；有机质含量在0.1 g∙cm-2时最高，0.2 g∙cm-2和 0.4 g∙cm-2时最低，0.6 g∙cm-2时介于两者之间。随着污泥用量的减少和麦麸用量的增加，剩余混合物的干物质含量和有机质含量明显增加，差异显著（P＜0.05）。

因为麦麸的干物质含量、有机质含量都大大高于污泥，所以随着麦麸在饲料配方中用量的增加，黄粉虫幼虫、虫粪和饲料剩余物混合物的干物质含量均显著增加；虫粪和饲料剩余物混合物的有机质含量也随着饲料中麦麸用量的增加而增加。密度为0.2 g∙cm-2和 0.6 g∙cm-2时黄粉虫幼虫干物质含量显著低于其他密度水平，但是虫粪和饲料剩余物混合物的干物质含量在 0.2 g∙cm-2时显著高于其他密度水平。

表5 试验条件对虫粪和饲料剩余物混合物性状影响方差分析Table 5 Duncan comparisons: the effect of rearing factors on characters of mixtures of Tenebrio molitor L. feces and fodder remainder

2.3 城市污泥对黄粉虫幼虫及虫粪中 N、P、K、Ca、Mg等物质含量的影响

经城市污泥喂养 15 d的黄粉虫幼虫及虫粪中N、P、K、Ca、Mg等营养物质含量列于表6，Duncan多因素方差分析显示结果列于表7和表8。温度、密度、污泥麦麸配比和幼虫规格对幼虫钙和钾元素含量影响均不显著；随着温度的升高，幼虫氮、磷、镁元素含量都显著增加（P＜0.05）；饲养密度对幼虫氮、磷含量有影响，差异达到显著水平（P＜0.05），氮含量随着密度的增加而增加，磷含量则在 0.2 g∙cm-2时最高；污泥麦麸配比只对幼虫氮元素含量有影响，差异达到显著水平（P＜0.05），而对其他几种元素的影响不明显，没有达到显著水平；幼虫规格只对其氮和磷元素含量有影响，体重较小的幼虫氮、磷含量明显高于体重大的幼虫，差异达到显著水平（P＜0.05），试验用幼虫规格对幼虫钾、钙、镁元素含量没有显著影响。

表6 城市污泥对黄粉虫幼虫及其虫粪营养物质含量的影响Table 6 Effect of sweage sludge on the nutrition elements content of Tenebrio molitor L. and its Feces

表7 城市污泥对黄粉虫幼虫营养物质含量影响方差分析Table 7 Duncan comparisons: the effect of sewage sludge on the nutrition elements content of Tenebrio molitor L.

表8 城市污泥对黄粉虫虫粪营养物质含量影响方差分析Table 8 Duncan comparisons: the effect of sewage sludge on the nutrition elements contents of Tenebrio molitor L. feces

试验温度、密度、污泥麦麸配比、幼虫规格的改变对黄粉虫虫粪中氮、钾、钙元素含量的影响没有达到显著性水平；温度、幼虫规格的变化对黄粉虫虫粪中磷、镁元素含量的影响也没有显著性水平，在此不单独列表说明。黄粉虫密度的改变对黄粉虫虫粪镁元素含量有显著影响，密度为0.1 g∙cm-2时虫粪镁含量最高，密度为 0.4 g∙cm-2时虫粪镁含量最低，密度为 0.2 g∙cm-2和 0.6 g∙cm-2时镁元素含量介于二者之间，差异显著（P＜0.05）；污泥麦麸配比的改变对幼虫虫粪磷元素含量的变化有明显影响，减少污泥用量、增加麦麸用量可以显著增加磷元素含量，差异达到显著水平（P＜0.05）。

不同试验环境温度条件（X1）、饲养密度条件（X2）、饲料配比比例（X3）、幼虫个体规格大小（X4）试验结果显示：喂养城市污泥的黄粉虫幼虫氮元素含量显著低于没有喂养污泥的幼虫；喂养城市污泥的黄粉虫幼虫磷、钾、钙、镁元素含量均高于没有喂养污泥的幼虫；黄粉虫幼虫虫粪和城市污泥相比除了磷元素含量显著提高外，钾、氮、钙、镁元素含量均降低。

3 讨论

本试验认为，影响黄粉虫幼虫生长后期增重及死亡的主要因素为温度，随着温度升高，增重率增加，死亡率也大幅增加，30 ℃下，幼虫增重率和死亡率分别达到73.91%和32.29%，与其他处理相比，差异显著（P＜0.05）这与肖银波等（2003）研究结果相似。利用城市污泥饲喂黄粉虫幼虫，幼虫体内的氮素显著低于对照幼虫样品，磷、钾、钙、镁含量则提高；虫粪的磷含量明显提高，氮、钾、钙、镁含量则降低。有研究显示，利用黄粉虫幼虫处理发酵牛粪（配以EM菌），黄粉虫幼虫生长周期延长，取食量增加，但是死亡率有所上升（曾祥伟等，2012）；在本研究中，当污泥和麦麸配比为1∶1时，黄粉虫幼虫生长快，死亡率低，这说明虽然黄粉虫幼虫取食广，但与发酵牛粪相比，城市污泥配以适当比例的麦麸更有利于幼虫的生长。有研究认为，黄粉虫后期饲养以较低密度（0.42～0.49 g∙cm-2）为宜（肖银波等，2003），本试验饲喂密度分别为 0.2 g∙cm-2和 0.6 g∙cm-2时，黄粉虫幼虫干物质含量明显低于其他处密度理水平，但是虫粪和饲料剩余物混合物的干物质含量在0.2 g∙cm-2时显著高于其他密度水平。

本研究分析了黄粉虫幼虫分解处理城市污泥的环境影响因子，但城市污泥与麦麸配比喂食黄粉虫幼虫后，N、P、K等养分的形态类型以及污泥中重金属含量的高低仍需进一步的研究。黄粉虫幼虫具有极强的生命活性，在适当的饲养密度下幼虫能以许多饲料为食(厨房剩余物、城市垃圾、泡沫塑料等)，利用黄粉虫幼虫吞食污泥，创造其最适宜的生态环境，可以充分发挥其生物作用以改善与转移污泥养分的存在方式，富集污泥重金属（杨军等，2009；高红莉等，2011）以及减少病原菌数量。利用城市污泥饲喂黄粉虫幼虫后，黄粉虫幼虫可以作为养殖鱼类饲料，依据农用污泥中污染物控制标准（GB4284-84），经黄粉虫幼虫处理后的剩余污泥中上述元素含量均符合标准、可以作为有机肥料施用还田，实现资源的重复循环利用。在实际应用中，由于不同城市污泥的养分含量各不相同，可以通过控制温度、幼虫饲养密度、幼虫规格和调节污泥与常规饲料配比，利用黄粉虫幼虫以最适宜的方式处理和利用城市污泥。黄粉虫幼虫在城市污泥中可以正常生长，利用城市污泥作为降低黄粉虫饲喂成本的原料途径，黄粉虫幼虫又可以处理城市污泥，相关环境因子参数的确定有很大的研究和实用价值。

4 结论

本研究结果表明，利用城市污泥饲养黄粉虫幼虫，饲养温度在 20～25 ℃（其他与常规饲养相同），饲养密度为0.2 g∙cm-2，污泥和麦麸配比为1∶1，可以保证幼虫生长良好，死亡率较低，是较为可行的利用污泥饲喂黄粉虫的环境因子参数。

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Environmental Influence Factors of Municipal Sewage Sludge Disposed with Mealworm Larvae (Tenebrio molitor L.)

LI Shuangxi1,2,3,4, ZHOU Wenzong1,2,3,4, LV Weiguang1,2,3,4*
1. Institute of Eco-Environment and Plant Protection, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403, China;
2. Shanghai Scientific Observation and Experimental Station for Agricultural Environment and Land Conservation, Ministry of Agriculture,Shanghai 201403, China;
3. Shanghai Key Laboratory of Protected Horticultural Technology, Shanghai 201403, China;
4. Shanghai Environmental Protection Monitoring Station of Agriculture, Shanghai 201403, China

Tenebrio molitor L. is rich in nutrients and a variety of amino acids and is often used as a fresh bait or protein feed additive for special livestock and poultry. However, its feeds are either costly or increasing mortality in order to reduce costs. This study used urban sludge to feed the larvae of Tenebrio molitor to achieve not only reducing the cost of feeding Tenebrio, but also providing a new way for the use of urban sludge. Four factors multi-level test was carried out with orthogonal test design in this paper. The effect of different environmental factors including temperature，ratio of sewage sludge and wheat bran, stocking density and Tenebrio molitor L. scale on the growth rate and mortality of yellow powder larvae were studied. The suitable conditions for the growth of Tenebrio molitor larvae in urban sludge and the effects of Tenebrio molitor on municipal sludge were discussed by analyzing the changes of nutrient and metal elements in the mixture of Tenebrio molitor and insect fecal and feed residues before and after feeding. The results showed that a stocking temperature of 20～25 ℃, a stocking density of 0.2 g∙cm-2, a feeding ratio of sewage sludge and wheat bran 1:1 resulted in higher growth rate and lower mortality rate. The content of nitrogen of Tenebrio molitor L decreased obviously but the contents of phosphorus, potassium, calcium and magnesium increased after feeding with sewage sludge.Comparing with sewage sludge, the phosphorus content in feces increased obviously but the contents of other four elements decreased.

Tenebrio molitor; sewage sludge; growth status; environmental factors

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.016

X174; X703

A

1674-5906（2017）10-1761-07

李双喜, 周文宗, 吕卫光. 2017. 黄粉虫幼虫降解城市污泥环境影响因子研究[J]. 生态环境学报, 26(10): 1761-1767.

LI Shuangxi, ZHOU Wenzong, LV Weiguang. 2017. Environmental influence factors of municipal sewage sludge disposed with mealworm larvae (Tenebrio molitor L.) [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1761-1767.

国家科技支撑计划项目（2010BAK69B18）；上海市科委重点攻关项目（16391901500；15391912200；15391901300）；上海市科技兴农推广项目（沪农科推字（2015）第2-2号）；崇明县科委项目（CKS2016-02）

李双喜（1986年生），男，助理研究员，硕士，主要从事生态循环农业、设施农田土壤障碍研究与防治工作。E-mail: lsx1986@126.com

*通信作者

2017-08-28