黑水虻的养殖及其处理畜禽粪便的研究进展

张俊哲 刘执平 （山东省烟台第一中学 264025） 陈国忠 （鲁东大学生命科学学院 山东 烟台）



黑水虻的养殖及其处理畜禽粪便的研究进展

张俊哲 刘执平*（山东省烟台第一中学 264025） 陈国忠*（鲁东大学生命科学学院 山东 烟台）

随着现代畜牧业迅猛发展，畜禽粪便大量产生污染环境。本文综述了黑水虻对畜禽粪便处理的研究进展，从黑水虻的养殖技术、畜禽粪便处理方法及其原理进行讨论，对畜禽粪便的无害化、资源化利用具有指导意义，并对黑水虻的应用和发展前景进行展望。

目前我国畜禽养殖模已经逐渐从散户养殖转向规模化、集约化养殖，畜禽粪便大量产生，成为农村和养殖场周边的主要污染来源[1]。农业部官方数据显示，我国每年畜禽养殖粪污产生量约38亿t，其中畜禽粪便约18亿t，污水约20亿t。从不同畜种来看，全国生猪粪污年产生量约18亿t，占总量的47%；牛粪污年产生量约14亿t，占总量的37%，其中奶牛4亿t、肉牛10亿t；家禽粪污年产生量约6亿t，占总量的16%[2]。目前畜禽粪污的有效利用率不足60%，大量畜禽粪便未经正常处理施入农田，不仅严重影响周围环境，还会产生有毒臭气和温室气体，如NH3、H2S、CH4等[3]。粪便中携带的各种致病微生物和虫卵如大肠杆菌，沙门氏菌，蛔虫卵等，严重威胁食品生产安全或造成疫病传播。一些畜禽粪便中还含有大量药物添加剂和抗生素等[4]，可能对环境生物造成极大危害。此外，畜禽粪便富含的氮、磷元素极易流失，从而引起水体富营养化[5]，改变水体的理化环境，使水发臭，形成江河湖海的赤潮和水华。传统畜禽养殖模式及废弃物处理技术已不适用于现今的情况，如何改善畜禽养殖环境、妥善处理废弃物防止污染是亟待解决的问题。

1 黑水虻的简介

黑水虻(Hermetia illucens L.)[6]原产于美洲，是腐生性的水虻科昆虫，能够取食禽畜粪便和生活垃圾，生产高价值的动物蛋白饲料，幼虫具有食性杂、食量大、抗逆性强、不传播疾病等优点，繁殖迅速，生物量大，食性广泛、吸收转化率高，容易管理、饲养成本低，动物适口性好等特点，从而进行资源化利用，其幼虫被称为“凤凰虫”，成为与蝇蛆、黄粉虫、大麦虫等齐名的资源昆虫，在全世界范围内(南北纬40度之间)得到推广，近些年传入我国，目前已广布于贵州、广西、广东、上海、云南、台湾、湖南、湖北等地。

2 黑水虻的养殖技术

2.1 卵的孵化 将收集到的黑水虻虫卵置于塑料盒内，盒底均匀铺垫一层含水量60%左右、发酵1d的麦麸作为初孵幼虫饲料，环境温度25℃，空气湿度80%，加盖防蝇网，大约2~4d孵化，同一卵块的幼虫孵化时间非常接近，后期幼虫生长整齐，易于管理。

2.2 幼虫饲养 黑水虻的初孵幼虫至3龄幼虫体积小，食量不大，为提高禽畜粪便的处理效率和黑水虻幼虫的成活率，通常将黑水虻幼虫饲养至3龄后再用于禽畜粪便的处理。以花生麸、麦麸、玉米粉或豆粕等为食，环境温度25~30℃、环境相对湿度不低于60%、盘内湿度不大于80%，经过5~7d获得体长0.6cm以上的3龄幼虫，即可用于畜禽粪便的生物处理过程。根据虫的密度，可分盆饲养，也可池养，前者需根据幼虫的取食补料并清除残料，后者可以一次将料加够，不需清除残料[7]。

2.3 预蛹 经7~10d后黑水虻幼虫体色逐渐变为黑褐色，体壁硬化，停止取食，进入预蛹阶段。黑水虻预蛹有迁出食物的行为，可在池角斜坡下放置小桶，预蛹爬出之后自动落入桶中，也可以利用幼虫的避光性，将虫和料置于自然光下，预蛹会躲到最下层，把上层废料剔除，剩下即是虫体。黑水虻预蛹具有更强的抗逆性，因此是较为理想的贮存虫态。将预蛹置于成虫饲养室内，避雨避光，约2周后即可羽化出黑水虻成虫。

2.4 成虫饲养 黑水虻成虫寿命较短，雌成虫平均寿命7~9d，雄成虫平均寿命6~7d。成虫消化功能退化，但能吸食水分，研究表明以蜂蜜水或蔗糖水饲喂的成虫具有较强的活动能力，分析认为黑水虻成虫仍然需要补充糖份作为飞行能源。黑水虻成虫羽化1~2d后即能交配，交配在飞行中完成，授精过程在地面或叶片上完成，成虫的交配行为受日光照射诱导[8]，同时还受到温度和湿度的影响。雄成虫交配后不久即死亡，雌成虫交配2~3d后开始寻找适宜的产卵场所，一次性产卵约800粒，产卵后不久亦死亡。如果遇到连续阴天或在室内饲养成虫时，可用碘钨灯补光，效果与日光类似[9]。

2.5 采卵 黑水虻雌成虫产卵场所的选择受食物信息的诱导，因此可以利用饵料诱集黑水虻在固定区域产卵。黑水虻雌成虫是一次性产卵，卵粒晶莹透明、排列整齐，形成卵块，利于集中收获。此外，黑水虻并不会将卵直接产于食料上，而是选择附近较为干燥的缝隙。根据此特性，研究者设计了适宜于黑水虻产卵的收集器，将密度板3~5层叠放，长33cm、厚1.8cm、宽5cm，层间缝隙2mm，深度大于7mm。将卵收集器置于食料附近，就能方便地收获大量的黑水虻卵用于后续生产。

3 黑水虻处理畜禽粪便的研究

（1）近几年黑水虻被广泛应用于处理鸡粪、猪粪及餐厨垃圾等废弃物方面[10-12]。黑水虻处理畜禽粪便技术简单易行。首先用发酵麦麸对黑水虻虫卵进行孵化，然后将孵化好的3~4日龄黑水虻小幼虫投进新鲜粪便中，保证物料维持一定温度和湿度，经过黑水虻幼虫快速生长7d左右，物料基本变黑，疏松度大幅度提高，虫体也长到1~1.5cm，就可以开始进行分筛，虫料分离，将分筛的虫子进行饲养肉鸡，虫粪可以加工优质的生物有机肥。（2）研究表明，鸡、猪等非反刍动物有限的消化系统容积和微弱的微生物发酵活动导致其对饲料的消化能力较差，粪便中仍然含有大量未消化吸收的蛋白质、脂肪等有机物质。黑水虻幼虫能够转化粪便中的氮、磷、钾等营养成分和大量的蛋白及脂肪，并将一部分用于机体构建，从而成为畜禽养殖的高能蛋白原料[13]。Newton等[14]利用黑水虻对猪粪进行了15d的处理，氮、磷、钾的去除率分别达55.1%、44.1%和52.8%，堆积减少56%。Kelly V. Beskin等[15]研究发现，黑水虻幼虫能将动物粪便中所有挥发性有机化合物的排放量减少87%以上，有助于解决养殖场的恶臭问题。黑水虻幼虫能显著降低粪便湿度[16]，减少家蝇[17, 18]。黑水虻养殖能较好地解决畜禽粪便中的大肠杆菌[19]和沙门氏菌污染问题[20]，在处理伪狂犬病和高致病性蓝耳病病死猪时，虫体中检测不到相应病原微生物。

4 黑水虻处理粪便的原理机制

（1）W Kim等[21]研究发现黑水虻幼虫肠道提取物具有高于家蝇幼虫的淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶活性，使其能够比其他种类的苍蝇更有效地消化有机废物。Heiko Vogel等[22]研究发现，黑水虻幼虫的许多抗菌肽是由喂食含有高细菌负荷的饮食诱导产生的，同时抗菌肽的饮食依赖性表达转化为对一系列细菌的饮食依赖性抑制作用，研究者认为是抗菌肽的表达介导了肠道微生物群对异常饮食的消化适应，该特征可以促进黑水虻在有机废物生物转化中的应用。H Jeon等[23]研究发现黑水虻肠道细菌群落的组成取决于不同的营养来源，且不同于其他昆虫肠道微生物区系。L Zheng等[24]发现在黑水虻不同生活阶段拟杆菌门和变形菌门属于肠道菌群的优势菌。种类丰富的酶、高活力的抗菌肽、独特的肠道菌群，使得黑水虻得以高效处理畜禽粪便，转化成自身的营养成分。（2）2013年10月，联合国粮食及农业组织在《可食用昆虫报告》中将黑水虻作为最主要的蛋白饲料替代昆虫。我国黑水虻种质资源较为丰富，除了已知的250余种(世界有3000余种)，我国还有大量未知种类的黑水虻，其中90%以上分布在华中、华南和华北地区。黑水虻有生物量大、虫体资源含量高等特点，富含17 种氨基酸[25]，直接利用新鲜猪粪养殖的黑水虻幼虫蛋白质可达40.6%，且虫沙总养分含量为8.76%，可达到国家有机肥标准[26]。黑水虻粗蛋白含量与大豆粕相近，而且预蛹中含有丰富的矿物质，可以作为其他动物源饲料的替代品[27]，现已用于鱼类养殖[28, 29]、肉鸡养殖[30]等。除了上述应用领域外，黑水虻也可以应用于营养保健、医药等领域，幼虫提取物中的己二酸具有抗菌功能，部分提取物还具有抑制淋球菌等细菌活力的功能，黑水虻成为了抗菌肽药物的重要研究对象，这些高端产品的市场利润更为可观。

[1] 曾锦, 徐锐, 梁高飞等. 畜禽养殖废弃物资源化利用技术及推广模式研究进展[J]. 畜牧与饲料科学, 2018, 39(08): 56-63.

[2] 全国每年38亿吨畜禽废弃物综合利用率只有6成[J]. 家禽科学, 2018(3): 5.

[3] 李春枚, 何俊静, 石清. 畜禽养殖废弃物无害化处理技术及资源化利用分析[J].畜牧兽医科技信息, 2018(05):62-63.

[4] Kumar K, Gupta S C, Baidoo S K, et al. Antibiotic uptake by plants from soil fertilized with animal manure[J]. Journal of environmental quality, 2005, 34(6): 2082-2085..

[5] 罗凤平. 仙女湖湖泊富营养化原因分析与治理探讨[J].南方农业, 2017, 11(36):77-80.

[6] Bondari K, Sheppard D C. Soldier fly, Hermetia illucens L., larvae as feed for channel catfish, Ictalurus punctatus (Rafinesque), and blue tilapia, Oreochromis aureus (Steindachner)[J]. Aquaculture Research, 1987, 18(3): 209-220.

[7] 靳任任, 刘杰.黑水虻人工养殖技术[J].科学种养, 2016(10):53-54.

[8] Sheppard D C, Tomberlin J K, Joyce J A, et al. Rearing methods for the black soldier fly (Diptera: Stratiomyidae)[J]. Journal of Medical Entomology, 2002, 39(4): 695-698.

[9] Zhang J, Huang L, He J, et al. An artificial light source influences mating and oviposition of black soldier flies, Hermetia illucens[J]. Journal of Insect Science, 2010, 10(1).

[10] Sheppard D C, Newton G L, Thompson S A, et al. A value added manure management system using the black soldier fly[J]. Bioresource technology, 1994, 50(3): 275-279.

[11] Newton L, Sheppard C, Watson D W, et al. Using the black soldier fly, Hermetia illucens, as a value-added tool for the management of swine manure[J]. Animal and Poultry Waste Management Center, North Carolina State University, Raleigh, NC, 2005, 1-17.

[12] Li Q, Zheng L, Cai H, et al. From organic waste to biodiesel: Black soldier fly, Hermetia illucens, makes it feasible[J]. Fuel, 2011, 90(4): 1545-1548.

[13] Myers H M, Tomberlin J K, Lambert B D, et al. Development of black soldier fly (Diptera: Stratiomyidae) larvae fed dairy manure[J]. Environmental entomology, 2008, 37(1): 11-15.

[14] Newton G L, Sheppard D C, Watson D W, et al. The black soldier fly, Hermetia illucens, as a manure management/resource recovery tool[C]//Symposium on the state of the science of Animal Manure and Waste Management. 2005: 5-7.

[15] Beskin K V, Holcomb C D, Cammack J A, et al. Larval digestion of different manure types by the black soldier fly (Diptera: Stratiomyidae) impacts associated volatile emissions[J]. Waste Management, 2018, 74: 213-220.

[16] Sheppard C. House fly and lesser fly control utilizing the black soldier fly in manure management systems for caged laying hens[J]. Environmental entomology, 1983, 12(5): 1439-1442.

[17] Bradley S W, Sheppard D C. House fly oviposition inhibition by larvae ofHermetia illucens, the black soldier fly[J]. Journal of Chemical Ecology, 1984, 10(6): 853-859.

[18] Sheppard D C, Newton G L, Thompson S A, et al. A value added manure management system using the black soldier fly[J]. Bioresource technology, 1994, 50(3): 275-279.

[19] Liu Q, Tomberlin J K, Brady J A, et al. Black soldier fly (Diptera: Stratiomyidae) larvae reduce Escherichia coli in dairy manure[J]. Environmental entomology, 2008, 37(6): 1525-1530.

[20] Erickson M C, Islam M, Sheppard C, et al. Reduction of Escherichia coli O157: H7 and Salmonella enterica serovar enteritidis in chicken manure by larvae of the black soldier fly[J]. Journal of Food Protection, 2004, 67(4): 685-690.

[21] Kim W, Bae S, Park K, et al. Biochemical characterization of digestive enzymes in the black soldier fly, Hermetia illucens (Diptera: Stratiomyidae)[J]. Journal of Asia-Pacific Entomology, 2011, 14(1): 11-14.

[22] Vogel H, Müller A, Heckel D G, et al. Nutritional immunology: diversification and diet-dependent expression of antimicrobial peptides in the black soldier fly Hermetia illucens[J]. Developmental & Comparative Immunology, 2018, 78: 141-148.

[23] Jeon H, Park S, Choi J, et al. The intestinal bacterial community in the food waste-reducing larvae of Hermetia illucens[J]. Current microbiology, 2011, 62(5): 1390-1399.

[24] Zheng L, Crippen T L, Singh B, et al. A survey of bacterial diversity from successive life stages of black soldier fly (Diptera: Stratiomyidae) by using 16S rDNA pyrosequencing[J]. Journal of medical entomology, 2013, 50(3): 647-658.

[25] 黄超, 沈侨, 朱定等. 黑水虻幼虫氨基酸组成及营养价值评估[J].广东饲料, 2018, 27(9): 22-24.

[26] 余峰, 夏宗群, 管业坤等. 黑水虻处理鸭粪效果初探[J]. 江西畜牧兽医杂志, 2018(2): 15-17.

[27] St‐Hilaire S, Cranfill K, McGuire M A, et al. Fish offal recycling by the black soldier fly produces a foodstuff high in omega‐3 fatty acids[J]. Journal of the World Aquaculture Society, 2007, 38(2): 309-313.

[28] Sealey W M, Gaylord T G, Barrows F T, et al. Sensory analysis of rainbow trout, Oncorhynchus mykiss, fed enriched black soldier fly prepupae, Hermetia illucens[J]. Journal of the World Aquaculture Society, 2011, 42(1): 34-45.

[29] Kroeckel S, Harjes A G E, Roth I, et al. When a turbot catches a fly: Evaluation of a pre-pupae meal of the Black Soldier Fly (Hermetia illucens) as fish meal substitute—Growth performance and chitin degradation in juvenile turbot (Psetta maxima)[J]. Aquaculture, 2012, 364: 345-352.

[30] Diener S, Zurbrügg C, Tockner K. Conversion of organic material by black soldier fly larvae: establishing optimal feeding rates[J]. Waste Management & Research, 2009, 27(6): 603-610.

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