黑水虻肠道微生物对工业化养殖的影响

2023-09-20谢久凤罗梦香郝尚华王明道

饲料工业 2023年16期

■ 谢久凤罗梦香张森郝尚华王明道

（河南农业大学生命科学学院，河南郑州 450002）

全球人口预计到2050 年将会增加到92 亿，快速增长的人口对动物蛋白的需求也在增加，动物规模化饲养已成为趋势。当前，我国饲料粮供给相对短缺，鱼粉、大豆、棉籽饼等[1]传统的动物饲料蛋白质来源主要依赖进口，高蛋白饲料的自主供应则成为制约我国养殖业高质量发展的重要因素。亟需寻求一种成本低且可持续的新的高质量蛋白来解决这一难题。昆虫已被证明是饲料蛋白质的最佳来源[2-3]。黑水虻作为一种重要的资源和环境保护昆虫目前已被广泛应用于养殖业中。

黑水虻最初起源于美洲，存在于全球大部分热带和温带地区[4]，这种昆虫的寿命是40～45 d，4 d从卵中孵化，在13～18 d 内经历5 个幼虫期，然后是成虫飞行时期直至前蛹阶段[5]。成年黑水虻不再进食，在这段时间内雌雄交配并在5～8 d 的产卵期内雌性产卵500～900 枚[6]。这种昆虫主要以动物粪便和腐质物质为食，如鸡粪、猪粪和牛粪等，还有其他有机废弃物如餐饮垃圾、城市市政有机垃圾、鱼内脏、蔬菜残渣、咖啡豆浆、稻草和含可溶性颗粒的干酒糟[7-10]。黑水虻幼虫可以直接作为饲料应用，其营养物质丰富，粗蛋白约占总干重的35%～49%，脂肪占总干重的29%～35%，其氨基酸种类和含量与鱼粉接近[11-14]。黑水虻可以将有机废物高效率地转化成粗蛋白和油脂等营养物质，不会产生甲烷和二氧化碳等有害气体。黑水虻既不是害虫也不是病媒，不会污染环境，饲养空间小，成本低效率高，可以进行工业化养殖，以满足养殖业中对蛋白质的需求[15]。在黑水虻养殖过程中，除饲料种类、饲养环境等基础条件外，共生微生物也直接参与昆虫的代谢活动，与消化、吸收、免疫、抵御外来病原体侵入密切相关，在保证生物转化和虫体健康中起着重要的作用[16-18]，共生微生物成为进一步提高工业化养殖水平关键因素。文章就黑水虻肠道微生物相关研究进行论述，以期为黑水虻幼虫大规模工业化养殖提供参考。

1 黑水虻的应用及工业化养殖现状

1.1 黑水虻的应用

黑水虻是一种杂食性昆虫，可以将许多类型的有机废物如厨余垃圾、牲畜粪便、变质水果和蔬菜、农作物废弃物和食品加工废物转化为蛋白质、脂类、肽、氨基酸、甲壳素、维生素、多肽、蛋白质和氨基酸。黑水虻幼虫作为水产养殖中的饲料添加剂已经在欧盟获得批准，用黑水虻幼虫部分或全部替代膳食鱼粉已在各种鱼类中例如钩吻鲑[19]、日本海马[20]、大西洋鲑[21-22]、欧洲海鲈[23]、杂交罗非鱼[24]和稻田鳗鱼黄鳝[25]成功应用。有学者用15%黑水虻幼虫替代虹鳟对照组中的50%的鱼粉（对照组含有20%的鱼粉作为蛋白质来源），结果显示黑水虻幼虫可以影响鳟鱼肠道微生物群的代谢活动，可提高膳食碳水化合物的利用率，提升宿主代谢能力，改善健康状况[26]。目前已有学者针对黑水虻作为家禽和猪等牲畜饲料可行性进行了研究[27-29]。有学者证明饲料中添加黑水虻幼虫可以促进猪和家禽的消化率，提高生长性能[30]；Schiavone等[31]使用全脂黑水虻幼虫代替50%或100%的大豆油，结果表明肉仔鸡生长性能、血液生化免疫参数和肠道健康的免疫功能没有受损。黑水虻幼虫可以替代传统的蛋白质饲料成分，如豆粕和鱼粉。Maurer等[32]用脱脂黑水虻幼虫替代蛋鸡日粮中50%或100%的豆粕，对蛋鸡饲料摄入量、蛋产量、蛋黄、壳重和死亡率无不良影响。Onsogo 等[33]获得了类似的结果，他们指出日粮中添加10%黑水虻幼虫可增加肉鸡的最终体重。Kawaseki 等[34]指出，添加10%的黑水虻幼虫对饲料摄入量、体重、肝脏重量、产蛋率和蛋壳重量没有影响，增加了盲肠微生物群。

1.2 黑水虻在国内工业化养殖现状

黑水虻养殖在国内作为新兴产业，已有十余年的研究历程。研究单位主要有广东省昆虫研究所、华中农业大学、中山大学、华南农业大学、广东省珠海市农业科学研究中心、广州无两生物科技有限公司等。国内已经掌握黑水虻规模化养殖技术，对肠道微生物结构分析及抗菌肽方面也有深入研究。

黑水虻饲养工艺简单，饲养成本低，回报高，国内外已经形成了规模化养殖[36]。全球黑水虻市值2021年达到1.8 亿美元，预计在2022 年—2028 年的预测期间内，以34.00%的年复合成长率（CAGR）增长，到2028 年达到14 亿美元。我国黑水虻养殖区域分布于贵州、广西、广东、上海、海南、云南、湖南、湖北等地。黑水虻是一种杂食性动物，食量大、营养需求低，人工饲料、畜禽粪便、餐厨垃圾、有机废弃物、食品加工废料、腐烂果蔬等都可以作为其饲养基质[37]。黑水虻食谱广可降解各类有机物完全得益于其肠道微生物群落结构特点和功能属性[38]。

2 黑水虻幼虫肠道微生物特点

2.1 黑水虻幼虫肠道结构功能特点

昆虫肠道菌群一般是外部环境和食物中的微生物经肠道环境选择后所得的，昆虫具有与其生存环境和摄食方式相适应的消化道结构，一般可分为3 个主要区域：前肠、中肠和后肠[39]。黑水虻幼虫肠道微生物主要受底物饲料、饲养环境及其微生物群落组成等影响，菌群种类的组成和比例处于动态变化中。不同饲养方式主要对黑水虻幼虫肠道中肠区域微生物多样性有影响，中肠三个部分的微生物群落在数量和组成有明显不同。中肠前部的微生物多样性最高，中部和后部逐渐减少。黑水虻幼虫摄入食物对肠道微生物的影响主要集中在中肠前部，不会引起肠道生物功能失调[40]。

黑水虻幼虫具有很强的消化能力，可以生物转化各种不同的有机废弃物，研究表明黑水虻幼虫肠道微生物在这些过程中起着重要作用[41]。肠道微生物可以参与昆虫的代谢活动，把昆虫难以消化的物质降解成易于吸收的小分子物质，提高饲料的转化率。黑水虻肠道细菌可以对饲料中的菌群产生影响，饲料中的菌群同样可以影响黑水虻肠道的菌群，两者的相互影响形成了一个介于两者之间的中间新生态位[42]。黑水虻和其他昆虫一样，其肠道菌群系统是开放的，所以外部环境可以影响黑水虻肠道菌群使其产生变化，而黑水虻也可以通过排泄、体液、皮肤等多种方式将自身的肠道菌群排出体外，改变外部环境中的菌群结构[43]。

2.2 黑水虻幼虫肠道微生物组成特点

很多研究表明黑水虻幼虫肠道微生物菌群与饲料种类密切相关，饲料的不同种类会致使肠道菌群种类及数量有显著的不同。研究幼虫肠道微生物群和饲料基质之间的相互作用对幼虫的生长发育至关重要，肠道微生物多样性与饲养基质中的营养复杂性和细菌群落相关。黑水虻幼虫有一个稳定的肠道核心微生物组，变形杆菌、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门是肠道中的核心微生物组[44]，在幼虫发育生长阶段不会因为饲养环境的变化而显著变化。

越来越多的研究证明不同饲养机制会影响黑水虻幼虫肠道微生物多样性，而肠道微生物组则会影响昆虫的生物学特性和生理学功能，因此了解黑水虻幼虫肠道微生物组成和功能有助于提高昆虫的性能和促进生长。黑水虻幼虫之所以具有降解广谱有机物质的能力完全得益于其肠道微生物菌群的结构和功能。肠道菌群影响昆虫的摄食、消化、排泄，还可抵抗病原体的侵入[45]。了解黑水虻幼虫肠道微生物组成及其影响因素对于提高黑水虻幼虫工业化养殖至关重要。纪佳雨[46]以黑水虻生物转化猪粪虫沙混合物、猪粪（即对照组）为研究对象，采用高通量测序技术研究黑水虻返饲前后微生物的多样性分析，试验后虫粪猪粪组饲养的黑水虻肠道门水平的物种为厚壁菌门（88.79%），变形菌门（6.36%），拟杆菌门（2.96%），软壁菌门（1.62%），放线菌门（0.25%），其他（0.05%）。试验后猪粪组饲养的黑水虻肠道门水平的物种为厚壁菌门（99.34%），拟杆菌门（0.17%），软壁菌门（0.03%），放线菌门（0.01%），变形菌门（0.16%），螺旋体门（0.01%），其他（0.01%）。很多研究都只针对黑水虻幼虫肠道细菌群落而忽视了真菌群落，有研究证明真菌群落在消化中也起重要作用。棉籽压饼是棉花生产的一种副产物，富含蛋白质和脂类，也含有有毒的多酚化合物棉酚，不适合作为动物饲料，因为会导致动物生长抑制、不孕和消化障碍。但黑水虻幼虫在棉籽压饼上饲养发育正常，甚至生命周期更短，这可能与黑水虻幼虫肠道微生物组多功能性有关，扩增子测序结果显示曲霉菌科在肠道中显著富集，目前仅在棉籽压饼饲养的幼虫肠道中检测到了这类菌，这表明它们可能在肠道内降解棉酚[47]。

3 影响黑水虻幼虫肠道微生物的主要因素

3.1 选择性饲料对黑水虻幼虫肠道微生物的影响

利用选择性饲料饲喂黑水虻幼虫，可以丰富黑水虻幼虫肠道内某些特定菌群，如用鸡饲料饲喂黑水虻幼虫时，芽孢杆菌科相对丰度较低，但当使用高纤维饲料时芽孢杆菌科含量就会变得丰富；低营养水平饲喂黑水虻幼虫时在肠道内易于分离放线菌和短杆菌[48]；用富含角蛋白或木质素的饲料饲喂黑水虻幼虫容易分离金杆菌、谷氨酸杆菌、和瘤胃杆菌[49]。金杆菌和谷氨酸杆菌在用普通饲料饲喂的黑水虻幼虫肠道内通过扩增子测序未检测到，说明这些菌种的存在高度依赖于饲料种类[50]。以垃圾为基质饲喂的幼虫肠道内鉴定出了176 种菌落，小牛饲料和煮熟的大米饲喂的幼虫肠道中鉴定出了41 种和36 种菌落，发现用垃圾饲喂的黑水虻幼虫肠道细菌多样性高于用小牛饲料或煮熟的大米饲喂的黑水虻幼虫[51]。

3.2 生理状态改变对黑水虻幼虫肠道微生物的影响

黑水虻幼虫肠道微生物群落结构和代谢活性功能也受其摄食状态的影响，有研究表明饥饿会导致黑水虻幼虫肠道微生物群落结构和功能的变化。饥饿这种生理状态主要影响肠道微生物组的两个方面，在门水平上群落多样性显著降低；五个属级（放线菌属、微杆菌属、肠球菌属、鞘氨醇杆菌属和白钴杆菌属）在饥饿开始后24 h和48 h内具有显著不同的相对丰度，即使在持续时间短（例如24 h）的情况下，也会由于缺乏完整的细菌群和相关功能而阻碍幼虫生长和生物转化效率[52]。

3.3 添加微生物对黑水虻幼虫肠道微生物的影响

研究表明黑水虻幼虫肠道细菌能够改善宿主生长状况，从营养丰富的饲喂的黑水虻幼虫肠道中可筛选到地衣芽孢杆菌H169 和嗜麦芽窄食单胞菌H121，将其添加到营养匮乏的饲料基质中可促进黑水虻幼虫的生长[53]。有研究者从黑水虻幼虫肠道内分离到6 株功能菌株：球形赖氨酸杆菌、奇异变形杆菌、弗氏柠檬杆菌、粪假柠檬杆菌、人假柠檬杆菌和粪肠球菌，将这6 株功能菌添加到无菌饲料基质中，以无菌饲料基质为空白对照来评估人工干预条件下黑水虻幼虫肠道微生物群变化。结果显示球形赖氨酸杆菌的丰度显著高于其他菌，推断球形赖氨酸杆菌可以在幼虫的肠道中定植[54]。肠球菌、普罗维登西亚菌、克雷伯菌和芽孢杆菌在黑水虻幼虫之间由于饮食的变化具有很大的差异性[55]。为了更好地消化、分解和利用各种有机废弃物，可利用内源性细菌构建黑水虻幼虫肠道微生物功能性协同转化系统。肠道共生体在昆虫饲养中是一个很有前途的研究领域，可以评估宿主在不同有机质饲养的可行性，为黑水虻幼虫工业化养殖提供理论和实践支持。纪佳雨[46]研究表明在虫粪返饲后黑水虻肠道内和剩余物中的微生物的丰富度、多样性、相似性、优势菌群远远高于单纯猪粪饲养的黑水虻组，黑水虻虫粪返饲显著提高黑水虻产量、提高转化率。

4 讨论

豆粕和鱼粉是养殖动物饲料中蛋白质的主要来源，由于豆粕和鱼粉人类也需要，这就造成了豆粕和鱼粉需求的增加和价格上涨[56]，因此低成本、易于获得的可持续的动物蛋白饲料来源——黑水虻受到越来越多的关注。它具有适合工业化养殖的特点，成本低、工艺简单、无污染、生长周期短，最主要的特异性是能够将有机废弃物基质转化为高营养物质的生物质。

黑水虻幼虫能在病原体含量高的环境中生存，得益于肠道微生物组产生抗微生物肽及昆虫免疫系统的综合效应。有益微生物定植在肠道和饲料基质，从而增强黑水虻幼虫对病原体的抵抗功能[57-58]。这些有益的微生物可以诱导宿主产生抗微生物肽，增强免疫力抗生素代谢物的产生。从黑水虻幼虫肠道中筛选出的有益菌可以直接添加到黑水虻幼虫饲料基质中，有助于减少病原体并维持黑水虻幼虫肠道健康。饲料基质中添加内源性细菌不仅会预消化底物，还能在肠道内定植，提高幼虫生长的能力，实现更有效的生物转化[59]。

黑水虻幼虫肠道可能吸收基质中的病原体[60],这些物质可能会转移到动物饲料甚至动物体内，对人类健康造成危害[61]。虽然幼虫肠道内会产生抗微生物肽，然而迄今为止进行的研究未能证明肠道内的病原体能被彻底根除。Tanga 等[62]报道了饲养基质中的弯曲杆菌可存在于黑水虻幼虫肠道中；Evalyne 等[63]在以黑水虻幼虫喂养的蛋鸡肠道内检测到了弯曲杆菌；Lalander等[64]在以人类粪便喂养的幼虫肠道内检测到一株肠炎沙门氏菌，肠球菌属在8 d 以上不受幼虫的影响，这些观察结果表明黑水虻幼虫能够减少在基质中的特定病原体，自身不会使这些病原体积累，但可能会导致喂食黑水虻幼虫衍生饲料的动物发生疾病并传播给人类[65]。因此，选择安全的黑水虻幼虫工业化养殖生产的饲料基质至关重要，从基质中收获幼虫后应采取进一步加工以确保所有致病性病原体被完全消除，限制它们向饲料链转移。