黑水虻对畜禽粪便的转化以及在饲料中的应用进展

何纪垲 卢秋咏 邹新华 张增玉 熊爱军 邢孔萍 杨杏萍 倪冬姣

摘  要：利用生物转化方法不但能将畜禽粪便资源化，还能减少粪便对环境的污染，做到节能减排。作为饲用昆虫的一种，黑水虻的幼虫可以将畜禽粪便、餐厨垃圾等有机废弃物通过生物转化作用转变为安全、环保、优质的饲料资源。本文主要对黑水虻在畜禽粪便中的生物转化作用，以及其在动物饲料中的应用进行综述，以期为黑水虻规模化处理畜禽粪便及日后产业化利用提供参考。

关键词：黑水虻；畜禽粪便；生物转化；蛋白饲料

我国是畜禽养殖大国，每年产生的畜禽粪便超过30亿t，粪便蕴含着大量未被畜禽有效利用的营养物质。如果能将畜禽粪便资源化利用，不但节能减排，而且还可以作为优质蛋白质原料应用于畜牧生产中，缓解鱼粉进口日益紧张的问题。黑水虻学名光亮扁角水虻或亮斑扁角水虻，属于双翅目水虻科昆虫，起源于美洲，在我国境内目前广泛分布于湖北、湖南、广东、广西、云南、贵州等省份[1]。黑水虻可将有机废弃物转化为安全、环保、优质的饲料资源。此外，黑水虻还具有繁殖迅速、易于饲养、环境适应力强、氨排放量低等特点。因此，黑水虻目前在城市环境治理、畜禽粪便处理、动物饲料原料应用、生物医药等领域都有较大的研究与利用价值[2]，尤其是对畜禽养殖业，黑水虻的资源化利用不但可以有效减少养殖污染物的排放，减轻环境污染，而且为畜禽粪便的资源化利用提供了一种经济且绿色环保的选择[3]。黑水虻幼虫摄入畜禽粪便中的有机物以满足自身生长发育所需营养物质。黑水虻幼虫具有蛋白质含量高、脂肪含量丰富等特点，大量研究表明，以黑水虻虫粉替代鱼粉，饲喂猪、禽、鱼是可行的。黑水虻产卵多、繁殖快、孵化时间短的特点预示着其具有规模化养殖并作为优质饲料资源的潜力。本文主要对黑水虻在畜禽粪便中的生物转化作用，以及其在动物饲料中的应用进行综述，以期为黑水虻规模化处理畜禽粪便及日后产业化利用提供参考。

1  黑水虻在处理畜禽粪便中的研究进展

随着我国畜禽养殖规模的不断扩大，集约化、规模化程度不断提升，畜禽粪便的产量也与日俱增，大量的粪便如得不到妥善的处理，不但会对环境产生污染，而且也是一种资源浪费。因此，如何科学合理地处置畜禽粪便是当下的研究热点。目前，畜禽粪便的处理方式主要有发酵堆肥、发酵生产沼气或者生物转化生产饲料，其中堆肥与生产沼气在技术上已经相对成熟，并且已应用于实际生产中，而利用黑水虻将畜禽粪便转化为畜禽、水产饲料，还停留在示范性研究阶段[4]。

1.1 抑制有害微生物在畜禽粪便中增殖

黑水虻的生长周期分为虫卵期、幼虫期、蛹期和成虫期，其中幼虫期又可分为６个龄期，其中３～５龄期的幼虫可以用来处理动物粪便[5]。黑水虻幼虫的肠道微生物种类丰富，能够消化畜禽难以消化的营养物质。研究表明，其肠道内的微生物不但能维持肠道蠕动和保护肠道黏膜的完整性，而且具有消化发酵植物聚合物、合成维生素、转化有毒化合物的功能。黑水虻幼虫肠道强大的消化能力，丰富的肠道微生物菌群与消化酶的协同作用，使其能有效转化畜禽粪便[6]。黑水虻和家蝇都是将虫卵孵化到粪便中，其中黑水虻幼虫能够在粪便中竞争性抑制家蝇的繁殖和产卵，从而减少病原微生物的滋生[7]。此外，黑水虻幼虫体内含有大量的抗菌肽、己二酸和几丁质等抗菌物质，这些物质能够抑制病原微生物的增殖，减少粪便中病原微生物的含量[8]。研究发现，在鸡粪便中额外添加大肠杆菌和沙门菌，经黑水虻幼虫处理后，粪便中有害菌的数量显著减少[9]。

1.2 降解畜禽粪便残留物质

在對动物粪便进行生物转化的过程中，黑水虻幼虫能够减少粪便中残留的有害物质，降低粪便对环境的污染。黑水虻幼虫能够减少粪便中重金属的残留，通过体内的金属硫蛋白，能有效螯合重金属离子，将粪便中的镉、锌、铜、铬、砷等重金属富集到虫体中，减少离子态重金属的毒性，降低重金属对环境的污染[10]。研究表明，在猪粪中加入黑水虻幼虫能够显著降低粪便及环境土壤中的镉含量[11]。此外，黑水虻幼虫对抗生素具有降解作用。黑水虻幼虫可以通过体内微生物的水解、氧化、脱氨、去甲基化、开环和修饰等化学反应降解抗生素。研究发现，黑水虻幼虫可降解粪便内残留的97％的四环素和泰乐菌素，降解速度快于堆肥降解的，从而降低粪便中残留抗生素对环境的污染[12-13]。畜禽粪便富含氮、磷、钾等元素，粪水不经处理排入河道，极易引起水体富营养化，造成水体污染。研究发现，黑水虻幼虫可降低猪粪中氮、钾、磷的含量，而粪便中含氮物质浓度的降低又可减少氨气等有害气体和挥发性有机化合物的产生，此举不但能减轻粪便对空气的污染，还能改善畜禽舍空气质量[14-15]。

2  不同畜禽粪便对黑水虻幼虫营养成分的影响

黑水虻幼虫是优质的动物源蛋白原料，其幼虫经过冷冻、微波解冻破碎、酶解处理，再进行烘干和粉碎，制得黑水虻幼虫虫粉。黑水虻幼虫粉具有丰富的营养价值，含有数量丰富的粗蛋白、粗脂肪以及钙、磷。幼虫粉所含的粗蛋白、粗脂肪、钙、磷的含量并不固定，研究表明营养成分含量的多少与饲喂黑水虻所用的基质组分成正相关[16]，不同畜禽粪便对黑水虻幼虫营养成分的影响见表1。黑水虻还含有胆固醇、维生素B1、烟酸、脂肪酸、类胡萝卜素、几丁质、抗菌肽和微量元素等，此外，黑水虻还可用于提取生物柴油、生产饲料添加剂和治疗药物等[17]。

3  黑水虻幼虫在饲料中的应用

当前黑水虻幼虫活体价格在3 500元/t左右，用餐厨垃圾生产的黑水虻幼虫干的生产成本目前为5 400～6 000元/t，黑水虻幼虫干的市售价则在6 000～8 000元/t[21]。根据中国饲料行业信息网统计的数据，2023年2月62％～68％的进口鱼粉价格在12 700～13 800元/t，国产鱼粉的价格在12 000元/t左右。因此，在不影响畜禽生产性能和健康状况的前提下，以黑水虻幼虫粉替代日粮中的鱼粉，不但可以降低饲料成本，扩大饲养效益，而且还能缓解鱼粉供给紧张。其次，从黑水虻虫干的生产成本和市场售价来看，养殖黑水虻也有利润空间。

3.1 在家禽饲料中的应用

赵燕等[22]研究发现，在日粮中添加2％～6％的黑水虻幼虫干，不会影响肉鸡的生产性能和器官指数，而且可以改善肉鸡肠道绒毛形态，提高鸡肉中蛋白质、氨基酸、脂肪酸的含量。王斌等[23]研究发现，日粮中添加3％～6％黑水虻幼虫干，可以提高46～53周龄蛋鸡所产鸡蛋的品质，还可以通过提高蛋鸡的免疫功能、改善健康状况来提高产蛋性能。车彦卓等[24]研究发现，用黑水虻蛋白替代日粮中的豆粕，并使日粮粗蛋白水平降低至14.85％，对鸡蛋蛋清的品质无不良影响。除肉鸡和蛋鸡外，有研究表明，在番鸭日粮中添加3％～5％的黑水虻幼虫粉，对肉鸭生长性能、屠宰性能均无显著影响[25]。此外，研究表明，日粮中添加黑水虻还能够改善禽蛋品质。在蛋鸡生产中，用1％或5％的黑水虻幼虫粉替代日粮中的鱼粉，可显著提高360日龄蛋鸡所产鸡蛋的蛋壳质量，改善蛋品质和风味[26]，用一定比例的黑水虻幼虫粉替代28～43周龄蛋鸡日粮中的豆粕，能显著提升蛋黄色度[27]，蛋品质改善的原因可能是黑水虻幼虫粉含有较高水平的类胡萝卜素和生育酚，从而可提高蛋鸡的生产性能和蛋品质[28]。

3.2 在猪饲料中的应用

黑水虻除了应用于家禽饲料外，还可用于猪饲料中，用于替代仔猪饲料中常用的鱼粉和喷雾干燥血浆蛋白粉。研究发现，在仔猪日粮中添加2％的黑水虻幼虫粉，不会对仔猪生长性能产生负面影响[29]；陈巍等[30]研究发现，用黑水虻幼虫粉替代仔猪日粮中的鱼粉和喷雾干燥血浆蛋白粉，不会影响仔猪的生长性能。王斌等[31]研究发现，等能等氮的条件下在仔猪日粮中添加2％或3％的黑水虻幼虫粉不会影响仔猪的生长性能，添加1％的黑水虻幼虫粉可以显著提高仔猪的生长性能，降低料肉比。丰富的细菌群落与肠道健康状况紧密相关，而较低的细菌多样性以及代谢、免疫和肠道保护功能的降低与多种疾病有关，生长猪日粮中添加4％黑水虻幼虫粉，能够通过改善生长猪肠道微生物区系组成，提高猪肠道黏膜免疫稳态，增加肝脏、胰脏和小肠等内脏器官的重量，提高血液中总蛋白、球蛋白和白细胞介素等免疫指标的水平[32]。黑水虻幼虫粉对仔猪生长性能和肠道免疫功能的积极作用可能与其富含抗菌肽、己二酸和几丁质等抗菌物质有关。几丁质是黑水虻虫体中天然存在的一种多糖，不易降解，但易被小肠吸收，且可被肠道微生物发酵。相关研究证实，几丁质可以恢复肠道微生物群落的组成平衡，此外几丁质或衍生物也有抗病毒、抗肿瘤、抗菌活性[33]。由此可见黑水虻幼虫粉可以部分替代猪饲料中的鱼粉。

3.3 在水产饲料中的应用

在鱼饲料中，黑水虻幼虫粉主要用于替代鱼粉。陈晓瑛等[34]研究发现，用黑水虻幼虫粉替代饲料中10％～30％的饲用鱼粉，不会影响黄颡鱼幼鱼的生长性能；替代比例超过30％后，会降低黄颡鱼幼鱼的生长性能；10％～30％的替代比例能够降低黄颡鱼血清中谷丙转氨酶、谷草转氨酶的活性，以及尿素和甘油三酯的含量。胡俊茹等[35]研究发现，等能等氮条件下，用黑水虻幼虫粉替代饲料中10％～50％的饲用鱼粉，对鲈鱼幼鱼的终末体重、增重率、特定生长率、摄食量、蛋白质效率、饲料系数以及存活率均未产生显著影响。除了鱼饲料外，黑水虻还能用于虾的饲养。用10％～30％的黑水虻幼虫粉替代凡纳滨对虾饲料中的鱼粉，能促进幼虾的生长，其中替代水平为15％时，凡纳滨对虾生长性能最佳[36]。综上，黑水虻在水产饲料上也有相当大的应用潜力。

4  总结与展望

在蛋白質原料供给愈发紧张、生态环境保护态势日益严峻的当下，用黑水虻幼虫处理畜禽粪便，不但能做到粪便资源化利用，缓解蛋白质原料供应日趋紧张的局面，而且还能保护环境，减少污染，做到节能减排，资源循环利用。黑水虻作为生物资源，其开发与利用的潜力十分巨大。但是，目前黑水虻幼虫的资源化利用仍有一些需要深入研究和解决的问题。例如，以不同有机废弃物基质为食物产出的黑水虻幼虫存在生产加工以及储存的标准化问题、黑水虻幼虫粉品质保证以及安全检测问题、幼虫粉作为部分畜禽饲料原料其氨基酸平衡性问题、脂肪酸含量过高等。因此，针对黑水虻幼虫生物转化机理、加工工艺、实践应用的相关研究仍在继续。笔者相信，在进一步探明黑水虻对废弃有机物的转化机制，以及优化产品加工工艺后，黑水虻加工产物终将投入实际生产，解决当前困扰畜牧养殖行业的痛点问题。

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