黑水虻幼虫生长发育速度的影响因素

蔡影峰,邢斯程,廖新俤

(华南农业大学 动物科学学院，广东 广州 510642)

黑水虻(Black soldier fly,BSF)，学名光亮扁角水虻，亮斑扁角水虻，它起源于美洲，目前在热带亚热带地区和大多数的暖温地区均有分布[1]。当前，黑水虻在畜禽粪便处理、动物饲料、医药以及生物石油等领域都获得了较大的研究进展，尤其是针对畜禽养殖业，通过黑水虻的资源化利用可以有效降低养殖污染物的排放，减轻环境污染[2]。它为废物的生物循环利用提供了一种具有潜在经济效益的选择[3]。影响黑水虻生长发育的主要因素有两类：环境与生物因素；本研究主要综述了两大因素对黑水虻幼虫生长发育的影响，并总结出一种理想的规模化养殖黑水虻幼虫的方式。

1 黑水虻幼虫的生物学特性

黑水虻一般经历4个生长周期，分别是卵期、幼虫期、蛹期和成虫期，整个周期35 d左右(图1)[4]。成虫产卵后，虫卵在适宜条件下约4 d孵育为初孵幼虫，大小1.4 mm左右，为乳白色虫体。黑水虻幼虫期可达15 d，幼虫期共分为六个龄期[5]，低龄幼虫呈乳白色，体色随天龄而逐渐加深，最终变为深褐色。在适宜条件下，1～3日龄幼虫需经历3 d，3日龄幼虫之前，幼虫个体很小，采食量小。

3日龄幼虫后，采食量增加，生长发育加速，个体快速增大，6日龄后可进入预蛹期(末龄幼虫)，此时变为深褐色，体长可达20 mm左右。在较差的生长环境中，幼虫到达预蛹期可能需要10～20 d，预蛹期不再进食，主动离开食物。成年黑水虻会汲取果汁等以维持营养[6]。蛹期大约持续15 d左右，呈暗棕色，蛹壳坚硬，不能活动。成虫期约10 d，体长15～20 mm，体色为黑色，带有蓝色金属光泽。成虫口器退化，栖息于绿色植物叶片之间，不再进食。雄成虫与雌成虫的交配需要阳光来诱导，交配时间约20～30 min，交配后2～3 d产卵[7]。

2 黑水虻幼虫的应用

2.1 黑水虻幼虫处理畜禽粪便

黑水虻最主要的用途之一为将畜禽粪便作为生长营养物质，能够将粪便转化为可供农业种植利用的生物质。Newton等[8]在2005年发现利用黑水虻处理猪粪具有可行性，处理后猪粪质量降低了56%，大部分元素和营养物质的浓度降低了40%～55%。利用黑水虻幼虫处理奶牛粪便，21 d内可将1248.6 g牛粪消化成273.4 g干渣[9]。黑水虻处理畜禽粪便除了可生成有用的生物质，还能一定程度上降低畜禽粪便中存在生物风险的物质，例如致病菌、抗生素和耐药基因。研究表明，黑水虻幼虫通过取食过程，可以降低粪便恶臭的排放，并且可以大幅降低粪便中的大肠杆菌和沙门氏菌数量[10]；同时黑水虻幼虫可以在12 d内快速降解约97%的四环素[11]；相比传统堆肥，用黑水虻幼虫处理粪肥12 d内可有效减少95%的耐药基因，同时使携带耐药基因的厚壁菌门减少65.5%，有效降低携带耐药基因的风险[12]。综上所述，黑水虻处理畜禽粪便的优点值得开发拓展，然而黑水虻的日龄却是影响其有效处理粪便的重要因素之一。马加康等[13]研究黑水虻幼虫对新鲜鸭粪的处理能力及粪便的转化效果时，发现4日龄幼虫处于较小的阶段，对营养需求量大，体重增加迅速，并且在10日龄时幼虫日增重达到最大值，幼虫发育基本完全，对饲料的利用率以及转化率达到了最大化。10～15日龄幼虫采食量减少，日增重减缓。据农业农村部公布的数据显示，目前全国畜禽粪污年产生量约38×108t，其中畜禽直接排泄的粪便约18×108t，养殖过程产生的污水量约20×108t[16]。因此，可以充分利用黑水虻幼虫4～10日龄这段快速生长发育时间，高效地针对畜禽粪便实现变废为宝。

图1 黑水虻各阶段形态图卵期(A)、幼虫期(B)、蛹期(C)、成虫期(D)[4,14-15]Fig.1 Black soldier fly at different stagesEgg stage(A), Larva stage (B), Pupa stage (C),Adult stage (D)[4,14-15]

2.2 黑水虻幼虫作为饲料蛋白原料的营养价值

黑水虻具有生物量大，吸收转化率高，虫体营养成分高等特点，其幼虫蛋白质、粗脂肪、矿物质含量都很高[17]。黑水虻幼体蛋白质含量为47.3%，脂肪32.6%，灰分7%，氨基酸态氮280 mg/100 g，胆固醇172.7 mg/100 g，维生素B1 0.235 mg/100 g，并且证明了采食生活废物的黑水虻幼虫可以作为畜禽饲料使用[18]。2013年，联合国粮食及农业组织(FAO)颁布《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。目前，黑水虻幼虫应用于动物饲料，可以通过虫糜、虫干、虫粉、虫油等方式[1]。研究发现，幼虫在14～16 d的发育过程中，单个黑水虻幼虫的干物质含量约增加了4000倍，粗蛋白和粗脂肪绝对含量在预蛹期迅速增加，达到最高水平[19]。因此，预蛹期黑水虻更适合作为畜禽饲料，准确收集预蛹期黑水虻，可以更有效地发挥幼虫作为饲料的营养价值。

3 影响黑水虻幼虫生长发育的因素

3.1 环境因素

3.1.1 光照强度对黑水虻幼虫生长发育的影响 赵竟伽等[20]发现，在自然光照，黑暗条件，以及4种不同人工光照强度的碘钨灯下(500 Lux、1 000 Lux、1 500 Lux、2 000 Lux)，在人工光照强度为1 000 Lux时黑水虻6龄幼虫的体重和体长达到峰值，在人工光照强度2 000 Lux下幼虫生长发育受阻，其体长和体重较自然光照和黑暗条件下都小。同时，在分别用自然光照和碘钨灯人工光照作用于成虫交配并且发生产卵时，发现两种光源下黑水虻生活史比较一致，用碘钨灯人工光照对黑水虻的卵期、幼虫期、蛹期都不会产生不良影响[21]。以上报道表明,适当的人工光照可有效提高黑水虻幼虫的产量。

3.1.2 含水率对黑水虻幼虫生长发育的影响 不同含水率的饲料对黑水虻幼虫的生长发育具有显著影响。合理选择和调节人工饲料或者畜禽粪便的含水率，不仅有利于黑水虻幼虫的生长，获得虫体丰产，还可以更有效地处理畜禽粪便。研究报道一致认为，饲料含水率75%最适合培养黑水虻幼虫(表1)。

表1 不同含水率对黑水虻幼虫生长发育的影响Table 1 Effects of different moisture content on the growth and development of Black soldier fly larvae

3.1.3 基质对黑水虻幼虫生长发育的影响 黑水虻幼虫作为资源昆虫，可用于畜禽粪便、餐厨垃圾、腐烂水果以及粮食下脚料的无害化处理。研究发现，采用10%菌糠+90%貂肉饲喂黑水虻幼虫时，达到老熟幼虫历期仅需17 d[22]；利用鸡粪配合麸皮饲养幼虫，鸡粪添加比例20%时，黑水虻幼虫平均日增重最高[23]；用小麦下脚料养殖黑水虻幼虫，所生产的幼虫蛋白成分高达45%[24]。由此看出，黑水虻可以在高蛋白、高脂肪的貂肉中生长，也可以在营养物质相对缺乏的畜禽粪便中生长，说明黑水虻幼虫具有较强的生存能力和抗逆性。Lalander等[25]在2018年发现，尽管黑水虻幼虫在其饲料基质的选择上是多种多样的，只要其总挥发性固体和氮含量足够高，就可以支持黑水虻幼虫的生长发育。但是，不同的基质成分对黑水虻幼虫的营养成分产生显著的影响，表2归纳了关于采用不同基质所收获的黑水虻幼虫粉的营养成分。因此，在选择培养黑水虻幼虫的基质时，应该合理选择并调节基质中有机物如蛋白质、脂肪、碳水化合物、灰分等含量，但在目前的研究中，并没有确定基质中蛋白质、脂肪、碳水化合物、灰分等营养物质的合理比例，大部分研究只能确定不同种类基质对幼虫的影响，而没有研究基质中具体营养素之间对幼虫的协同影响。

表2 基于不同饲喂基质的黑水虻幼虫粉常规营养指标(干重)Table 2 Conventional nutritional indexes of Black soldier fly larvae powder based on different feeding substrates(dry weight)%

3.1.4 温度对黑水虻幼虫生长发育的影响 饲养温度对黑水虻幼虫的生长发育有显著的影响。温度越高，黑水虻的幼虫期越短，其鲜虫的平均体重也最大。研究表明，温度为30 ℃时，50%幼虫进入预蛹期仅需11 d；而在15 ℃时，幼虫期要延长到21 d[29]。在处理猪场粪污时，温度28～30 ℃，废弃物处理效果最明显，幼虫的增重与增长也最明显[31]。

3.1.5 密度对黑水虻生长发育的影响 黑水虻处理废弃物时，虫卵与基质之间存在着一个合适比例问题。徐春笑等[32]研究发现，黑水虻处理餐厨废弃物，每吨餐厨垃圾添加100 g虫卵时，可以产生最大的鲜虫产量和最小的餐厨垃圾总重。在获取黑水虻幼虫的最大生物量时，1.2～5条幼虫/cm2的密度下规模化养殖黑水虻是可行的[33]。幼虫密度比例过低，则因黑水虻不能充分消纳废弃物，造成营养浪费；密度过高，有机物不足以满足幼虫的生长需要，导致幼虫生长发育受阻。

3.2 生物因素

3.2.1 基因与激素对黑水虻生长发育的影响 黑水虻幼虫只能在幼虫期处理废弃物，如果能稳定地延长黑水虻的幼虫期，就能增加其对有机废物的利用量。昆虫的变态发育由一系列激素和神经肽控制[34]，据研究报道，通过CRISPR/cas9基因编辑方法敲除促胸变激素(PTTH)基因，导致黑水虻蜕皮激素的合成和释放受阻，延缓黑水虻幼虫蜕皮和变态，从而延长黑水虻幼虫成蛹的过程，使最后一个幼虫龄期从对照组的4～5 d增加到突变体的>85天；研究还发现PTTH突变体的体型和体重均大于野生型，但有学者认为PTTH基因并不能调节果蝇的生长速率[35]，这说明PTTH突变体体型与体重的增大可能是由于进食时间的延长而间接导致的，而不是该基因直接控制[15]。

3.2.2 酶对黑水虻生长发育的影响 参与黑水虻脂肪积累的调节酶主要是PDC、CY、ACLY、FASN、ACC、ACOT1_2_4、ACSBG、GPAT3_4、AGPAT3_4、PLPP1_2_3、DGAT1，并且表明黑水虻幼虫具有常规的脂肪代谢模式，脂肪代谢主要在黑水虻幼虫发育的前期和蛹期，其中脂肪积累在幼虫早期阶段扮演着重要的角色，脂肪含量在预蛹期达到最高值[36]。五龄幼虫和预蛹之间的mRNA表达模式存在差异，特别是FAS(脂肪酸合成酶)和ACC(乙酰辅酶a羧化酶)在五龄幼虫体内的超量表达可能参与了脂肪酸合成的限速步骤，从而参与了营养积累和能量储备，以供昆虫变态和进一步发育时使用，这一过程对完全变态昆虫尤其重要，因为它们依赖这些储备来支持生长、生活和繁殖[37]。

4 展 望

综上所述，调控黑水虻生长发育是环境与生物因素的结合。总的来说，生物因素的影响在试验研究层面，例如黑水虻品种的选育等有很大空间，而环境因素如光照、温度、含水率、密度以及基质条件的影响，体现在生产上，较为直观、容易控制，目前的研究成果已经比较充分了解了光照、温度、含水率、密度等对黑水虻幼虫生长发育的影响，饲养管理条件也比较明确。但是，对于饲喂基质的研究，大部分仅限于基质种类对幼虫的影响，而缺乏基质中各大营养素之间合理比例以及深层次机理的研究，畜禽粪便中残留的抗生素等对幼虫的影响研究也不充分，今后这方面的研究对相关理论以及黑水虻在养殖废弃物变废为宝中的实践都具有重要意义。