白星花金龟资源化利用研究进展

高顺平,徐林海,郑成忠,吴丹丹,付 乐,卢元鹏,徐振朋*

(1.乌兰察布市农林科学研究所,内蒙古乌兰察布 012000;2.乌兰察布市动物疫病预防控制中心,内蒙古乌兰察布 012000)

白星花金龟(ProtaetiabrevitarsisLewis)又称白纹铜花金龟、白星花潜,是鞘翅目(Coleoptera)金龟科(Scarabaeidae)花金龟亚科(Cetoniidae)的昆虫,广泛分布于我国及周边国家。成虫迁飞能力强、采食量大、食性广泛,可取食植物的叶、花和果实等,是一种重要的农业害虫;幼虫为腐食性,主要以腐烂的秸秆、动物粪便等为食,不仅不危害植物,而且在许多领域具有很大的利用价值。研究表明,白星花金龟幼虫可用于处理农业生产中废弃的秸秆、菌渣和动物粪便等废弃物,虫体可作为宝贵的蛋白质资源和药材加以利用,虫沙富含腐殖质可用作有机肥。目前,在世界上许多国家和地区,已经将白星花金龟作为资源昆虫,用来处理作物秸秆和动物粪便等农业废弃物;白星花金龟幼虫已被证实具有抗癌、抗菌、抗炎等药用价值;在韩国将白星花金龟幼虫作为潜在的动物蛋白替代品开展了大量研究。该研究综述近年来国内外有关白星花金龟资源化利用的有关研究,以期为其进一步研究和开发利用提供参考。

1 白星花金龟的生物学特征

白星花金龟属于完全变态昆虫,其发育过程经历卵、幼虫、蛹、成虫4个时期。自然条件下一般一年发生一代,以老熟幼虫越冬,卵期7～10 d,幼虫期290～330 d,蛹期约30 d,成虫寿命40～60 d。卵呈圆形或椭圆形,乳白色,长约1.7～2.0 mm。幼虫昼伏夜出,具有假死性和负趋光性,白天潜伏在腐烂的秸秆、堆肥和土壤中,夜晚到地表活动,腹面朝上以背部蠕动爬行。幼虫在土壤中的活动与土温密切相关,当土温低于5 ℃或高于25 ℃时向土壤深处移动,土温适宜时移向土壤上层。幼虫发育经历3个龄期,在19～34 ℃温度范围内,随着温度的升高,幼虫龄期逐渐缩短[1],在28 ℃环境下,1龄期14 d,2龄期33 d,3龄期128 d[2]。老熟幼虫体长24～39 mm,乳白色、圆筒形,体型弯曲呈“C”型,体表生有细毛,背部多皱,胸部有3对足,头部呈褐色,咀嚼式口器。蛹为裸蛹,卵圆形,长20～23 mm,初期为白色,后逐渐变为黄白色。成虫体长16～24 mm,宽9～13 mm,椭圆形,体壁坚硬,散发古铜色或青铜色光泽,体表散布许多不规则白斑。成虫于每年5月初开始出现,6—7月达到羽化盛期,8—9月逐渐死亡[3]。在人工养殖时通过设置适当条件,其全世代发育历期可缩短到89.06 d,可实现周年繁育[1]。成虫昼出夜伏,飞行能力强,食性广泛,采食量大,具有趋糖性和趋腐性,喜食成熟果实等含糖量较大的食物。成虫对信息素也有很强的趋性,研究表明,4-甲基苯甲醚对雄虫和雌虫均有特异性诱集作用[4]。试验证明成虫更偏爱红色,红色的诱捕器效果最佳,且最有效的诱捕器高度为地面以上1.0～1.5 m[5]。成虫的交配行为具有明显的昼夜节律性,多发生在09:00—16:00,交配高峰期发生在11:00—14:00,补充营养对成虫的交配行为无显著影响[6]。成虫一生可多次交配多次产卵[7],喜产卵于未腐熟的畜禽粪便、作物秸秆等有机废弃物中,营养、温度和湿度是影响产卵量的主要因素,在人为设置适宜条件下单雌产卵量最高可达144粒,平均3.6粒/d,性别比例对单雌产卵量无显著影响[2,8]。

2 资源化利用研究

2.1 生态利用价值白星花金龟幼虫为腐食性蛴螬,主要以农作物秸秆、动物粪便等腐烂的有机物为食。利用白星花金龟幼虫处理农牧业生产中的废弃物具有很高的应用潜力。近年来,随着我国农牧业的快速发展,所产生的农作物秸秆、畜禽粪便等废弃物的污染问题日益严重,如何实现农牧业废弃物的无害化处理和资源化利用,成为制约农牧业可持续发展的关键问题。在自然界中,腐食性蛴螬能将富含木质纤维素的有机物转化为高腐殖酸含量的植物肥料,在陆地碳循环过程中发挥着重要作用[9]。研究表明,白星花金龟幼虫能够高效转化木耳、香菇种植用过的基质,转化后物料的氮磷钾等营养元素和腐殖酸含量升高,植物毒性显著降低[10]。用白星花金龟幼虫生物转化鸡粪后,其抗生素抗性基因多样性明显降低,约80%的病原体基因丰度显著降低[11]。此外,白星花金龟幼虫还被证实可用于处理玉米秸秆[12-13]、苹果园废弃物[14]、牛粪[15]等多种农牧业生产中的废弃物,具有极高的生态利用价值。

2.2 饲用价值食用昆虫是一种公认的极具开发潜力的蛋白质和其他营养素来源[16]。干燥的白星花金龟幼虫虫粉中蛋白质含量高达50.5%,与一般的牛肉、猪肉、鸡肉等的蛋白质含量类似,脂肪含量为13.5%,含有很大比例的多不饱和脂肪酸,铁、锌等矿物质含量较高[17]。与牛里脊肉相比,白星花金龟幼虫虫粉的低分子量蛋白质和蛋白质消化率更高[18]。在体内外研究试验条件下,白星花金龟幼虫冻干虫粉均未显示出明显的毒性和诱导突变的特性[19]。随着我国畜牧业的不断发展,对蛋白质饲料的需求不断增长,白星花金龟幼虫作为一种安全可靠、成本低廉的蛋白质来源具有很大的开发利用价值。

2.3 药用价值蛴螬是我国传统中医常用的一种中药材,《本草纲目》中记载蛴螬“主治小儿脐疮、小儿唇紧、丹毒、痈疽痔漏、目中翳障”等症。近年来的研究发现,白星花金龟幼虫在抗癌、抗炎、抗菌等方面也有很高的利用价值。从白星花金龟幼虫中提取的生物活性物质对多种癌细胞具有高度的细胞毒性,在体外试验中具有诱导癌细胞凋亡的活性[20]。研究表明,提取的白星花金龟幼虫蛋白能够显著抑制炎症因子的释放,并在一定范围内降低促炎细胞因子的含量[21]。幼虫蛋白水解产物中提取的生物活性肽具有血管紧张素转换酶抑制活性,可用于预防和控制高血压[22]。幼虫的甲醇提取物具有抗氧化活性[23]。幼虫提取物对癫痫等神经退行性疾病具有治疗作用[24]。此外,基于白星花金龟幼虫基因组设计合成的抗菌肽对革兰氏阴性和阳性菌[25]、多重耐药的革兰氏阴性菌[26]具有很强的抗菌活性。

2.4 虫粪利用价值白星花金龟幼虫的虫粪颗粒均匀、无异味,富含腐殖酸和氮磷钾等营养元素,能够提高土壤有机质含量,对植物生长发育有很好的促进作用,是极具利用价值的有机肥料。研究表明,用白星花金龟幼虫生物转化玉米秸秆和木屑后产生的虫粪中腐殖酸含量分别达24.73%和14.46%,且不表现任何植物毒性[27]。虫粪中潜在的微生物群落能改善土壤环境,有助于土壤有益微生物的增加,进而提高植物抗病性、促进植物生长[28]。在辣椒育苗基质中添加2%～5%的虫粪,能够增强辣椒苗期的耐寒能力促进幼苗发育[29]。施用虫粪有机肥能够显著提高樱桃萝卜和番茄的产量[30-31],在提高土壤肥力和改善土壤微生物群落等方面都具有一定作用。

2.5 其他利用价值研究表明,白星花金龟幼虫肠道中含有大量的能够降解木质纤维素的微生物,对这些微生物进行分离鉴定并加以研究,对于制备纤维素降解菌和酶制剂具有很高的理论和现实意义[32]。目前,白星花金龟成虫的利用价值主要体现在甲壳素提取方面。甲壳素又称甲壳质、几丁质,在纺织、造纸、制药等行业具有非常广泛的应用价值。目前提取甲壳素的主要原料为虾蟹等水产品,不仅成本高而且提取的甲壳素中重金属和灰分含量高,品质较低。以白星花金龟成虫为原料提取甲壳素,具有成本低、品质好等优点。研究表明,以特定工艺从白星花金龟成虫中提取甲壳素,得率为28.3%,残余灰分含量1.25%,达到了工业级的甲壳素标准,如果能进行产业化应用,预计能产生较大的经济效益[33]。

3 展望

白星花金龟作为我国常见的农业害虫,近年来的研究主要集中在发生规律、成虫防治等方面,其巨大的应用潜力未能得到充分地开发利用。为了更好地利用这种资源昆虫,研究者可在以下几个方面开展深入研究:①白星花金龟的生物学特性研究方面,需要对其人工繁育技术开展进一步研究,明确虫体发育各阶段的最适条件,为下一步的开发利用奠定基础;②幼虫转化废弃物研究方面,需要对转化不同农业废弃物的最优条件做深入研究;③虫体利用方面,虫体的精深加工、幼虫的药用价值及其有效成分提取等具有很高的研究价值;④虫粪利用方面,通过添加一定比例的虫粪开发优质的育苗基质预计能产生很高的经济价值。此外,利用白星花金龟幼虫腐食性特点建立生态循环农牧业发展模式,为转变传统农牧业发展方式,提高农牧业可持续发展能力提供了新思路,值得进一步研究和开发。随着各项有关研究的不断深入和产业化应用的不断推进,一定能使白星花金龟变害为宝,为农业废弃物的资源化利用、农牧业绿色可持续发展提供助力。