黑水虻利用有机固废开发新型饲料蛋白与碳减排研发现状和展望

■ 张吉斌 余永强 禹铭洋 张 珈

（华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室，湖北洪山实验室，生命科学技术学院，微生物农药国家工程研究中心， 湖北武汉 430070）

根据农业农村部畜牧兽医局与中国饲料工业协会发布的数据[1]，过去5 年（2018—2022 年）我国的工业饲料总产量一直在稳步上升，到2022 年我国工业饲料的总产量突破了3 亿吨。庞大的饲料生产市场需要消耗巨大的饲料原料，特别是蛋白饲料原料的消耗。从养殖业饲料消耗看，我国饲用蛋白原料近一半来源于进口[2]。为了解决蛋白饲料原料依赖进口的问题，需要通过“开源节流”的方式去应对。所谓“开源”就是开发新的饲料蛋白资源，包括昆虫蛋白、单细胞生物蛋白等非常规蛋白[3]。所谓“节流”就是提高现有蛋白资源的利用率，开发功能性饲料蛋白多肽，降低蛋白饲料使用量[4]。

在饲料蛋白开源方面，过去近30 年，一项基于昆虫黑水虻转化有机废物为虫体生物质的研究与应用正在兴起，这项技术最初在美国进行研究，于实验室进行的禽类粪便[5]和奶牛粪便的转化试验[6]，华中农业大学喻子牛教授团队从美国引进该技术，在此基础上，2008 年驯化了我国本地的水虻品系-亮斑扁角水虻武汉品系。和国际上优势品系美国德州品系比较，亮斑扁角水虻武汉品系虫体大14.4%～37.0%，在转化有机固废过程中可以获得更多虫体生物质和蛋白[7]。要实现黑水虻大规模繁殖产卵，满足黑水虻幼虫大规模转化有机固废生产黑水虻虫体蛋白，还有一个瓶颈需要突破，黑水虻在阴天和冬季光照时间短的时候，交配产卵率显著降低，不能满足有机固废大规模处理的需要。我国 2006 年开始探索国内不同的人工光源，通过测试50 多种不同人工光源对黑水虻产卵的影响，首次发现在碘钨灯光源下，黑水虻能正常交配产卵，在阴天可以达到太阳光产卵效率的61%，这主要是由于碘钨灯特殊的波长（450～700 nm）对黑水虻产卵发挥作用，由此实现了国内外黑水虻全年大规模转化有机固废生产黑水虻生物质满足饲料蛋白的需求，使黑水虻蛋白实现饲料蛋白开源成为一个重要途径[8]。

1 黑水虻转化不同有机固废，及其不同废弃物搭配对黑水虻转化及黑水虻营养的影响

黑水虻幼虫对有机固废的适应性很广泛，包括餐厨垃圾、畜禽粪便、鱼废料、废弃的尾菜，豆渣、畜禽屠宰废弃物、食用菌渣、发酵菌渣等[7，9]。由于不同的有机固废营养不同，有的营养丰富，转化效率高，如餐厨垃圾、鱼废料和畜禽屠宰废弃物等[10-11]，而畜禽粪便如牛粪营养物质缺乏，纤维素含量高，需要与营养相对丰富的废弃物搭配，才能提高转化效率。将奶牛粪便与鸡粪（或豆渣）按照一定比例（2∶3）混合时，与单纯黑水虻转化奶牛粪便相比，纤维素、半纤维素和木质素降解率和黑水虻转化率明显提高，意味着通过物料搭配获得合理碳氮比可以获得更多的黑水虻虫体蛋白[12-13]。不同的有机固废获得的黑水虻虫体营养也有明显差异，用餐厨垃圾转化获得的黑水虻虫体粗蛋白（45%左右）和粗脂肪（37%左右）含量较高，而转化畜禽粪便获得的黑水虻虫体蛋白含量（42%左右）和脂肪含量（28%～34%）要低一些[11]。黑水虻转化鱼废料获得的虫体不饱和脂肪酸（ω-3）含量明显高于转化牛粪获得的虫体ω-3 含量，更适合替代鱼粉和鱼油作为肉食性鱼类和其他动物饲料[14]。因此，要获得符合不同类型动物对营养的需求，需要对转化黑水虻的有机固废进行比较精准的营养测定和搭配。

2 微生物对黑水虻转化有机固废获得黑水虻生物质、蛋白的影响

大量研究显示微生物在黑水虻转化有机固废过程中发挥重要作用，尤其是黑水虻肠道微生物能够提高黑水虻转化有机固废效率，降解有毒有害物质（如黄曲霉毒素、抗生素残留），提高转化后获得的黑水虻虫体营养价值（如蛋白质含量、必需氨基酸含量）。肠道微生物能够有效提高黑水虻对鸡粪的转化效率。研究人员评估了来自黑水虻卵和幼虫肠道共生细菌以及黑水虻外获得的功能菌，添加在黑水虻转化的系统中转化鸡粪，单菌协同转化促进幼虫增重最高为18.60%，复合菌剂协同转化促进幼虫增重可达28.57%，在企业添加黑水虻肠道微生物联合转化鸡粪幼虫增重提高达15.9%，也就是说不添加黑水虻肠道微生物组黑水虻转化1 吨鸡粪产生100 kg 黑水虻鲜虫，添加特定的黑水虻肠道微生物组产生的黑水虻鲜虫为115.9 kg，也就意味着可以获得更多的黑水虻虫体蛋白，大规模黑水虻转化中功能微生物在提高转化效率获得更多黑水虻生物质和昆虫蛋白发挥重要作用[15-16]。

3 黑水虻转化有机固废的无害化

黑水虻在转化有机固废过程中，能够有效消减和去除有机固废中有毒有害物质。例如黑水虻可以有效降解畜禽粪便中的抗生素[如四环素类（四环素、土霉素等）[17-18]、喹诺酮类（环丙沙星等）[19]、 林可霉素类[20]、磺胺类（如磺胺嘧啶）[21]等]、有机固废中的真菌毒素（如黄曲霉毒素B1 等）、多环芳烃类化合物（如萘、芴、菲和芘等）[22]。黑水虻在转化有机固废过程中也能够有效抑制人畜共患病原菌（如大肠杆菌O157∶H7、金黄葡萄球菌、沙门氏菌等[23-24]）和病毒（如腺病毒、呼肠孤病毒和肠道病毒[25]）。研究显示黑水虻肠道微生物在比较短的时间内（7～12 d）协助宿主有效消减和去除有机固废中有毒有害物质和抑制人畜共患病原菌、病毒[17，24]。肠道微生物与黑水虻协同作用为黑水虻大规模无害化转化有机固废应用奠定了基础。

4 黑水虻替代鱼粉和豆粕，是极具潜力的新型“开源”饲料蛋白

黑水虻虫粉在家禽水产和宠物养殖中已经被广泛研究和应用。目前，黑水虻以全脂虫粉、脱脂虫粉、预蛹粉、虫浆、虫油、酶解虫浆等形式添加到水产饲料中[26-27]。黑水虻幼虫在宠物饲料中也有应用，主要以虫粉、虫油等形式添加到宠物饲料中[28-29]。黑水虻虫粉可部分替代家禽或猪饲料中的豆粕与鱼粉，也可以达到未替代饲料同样饲养效果[30]。黑水虻转化有机固废收获的虫体生物质富含蛋白质、脂肪和矿物质，纤维含量相对较低。黑水虻的幼虫虫粉、预蛹虫粉等可以代替动物饲料中的常规蛋白质来源的豆粕和鱼粉，是极具开发潜力的新型饲料蛋白质资源[31]。

利用黑水虻幼虫虫粉替代基础饲料中的鱼粉来饲养黄颡鱼，替代13%～48%的鱼粉配制的黄颡鱼饲料饲养的黄颡鱼增重率、特定生长率、蛋白质效率和蛋白质沉积率显著高于对照组饲料饲养的黄颡鱼；其中25%的黑水虻虫粉替代鱼粉配制的黄颡鱼饲料饲养的黄颡鱼的增重率、特定生长率、蛋白质效率和蛋白质沉积率最高，分别比对照组的提高了29.12%、11.18%、20.65%和18.12%。利用13%～48%的黑水虻虫粉替代鱼粉配制的黄颡鱼饲料饲养黄颡鱼，其生长性能和免疫指标均高于对照组，但是饲喂68%、85%和100%的黑水虻虫粉替代鱼粉配制的黄颡鱼饲料，其生长性能和免疫指标均低于对照组，主要原因是黑水虻虫粉含有一定的几丁质，如果替代比例大于48%，几丁质含量偏高，影响黄颡鱼对饲料的消化，不利于黄颡鱼的生长[32]。采用黑水虻老熟幼虫部分替代饲养黑斑蛙的人工饲料，发现黑水虻老熟幼虫可以促进黑斑蛙的增重和生长速率[33]。虹鳟鱼饲料中使用黑水虻虫粉替代50%的鱼粉不会影响虹鳟鱼的品质[34-36]，与对照组相比，使用黑水虻虫粉替代饲料喂养的虹鳟鱼有利于其提高免疫力、改善生存状态[35]。

使用含15%黑水虻虫粉部分替代的饲料饲喂肉鸡时，肉鸡在饮食偏好、主要营养素的表观消化率、生产性能、死亡率、胴体性状以及感官和肉质特征等方面，试验组与对照组之间没有显著差异[37-39]。然而，使用脱脂的黑水虻幼虫虫粉部分替代饲料中的豆粕饲喂肉鸡，在1～10 d 时提高了肉鸡的鲜重和采食量，但在生长期（10～24 d）和育肥期（24～35 d）脱脂虫粉降低了肉鸡对饲料转化率[40]。与肉鸡相似，在蛋鸡日粮中添加黑水虻虫粉饲喂蛋鸡的效果也与饲喂时间相关。具体表现为用黑水虻虫粉完全替代豆粕的饲料饲喂蛋鸡，在饲喂时间不超过6 周时，不会影响蛋鸡的生产性能（例如体重、采食量、饲料转化率、产蛋率和鸡蛋质量）[41-42]；当饲喂时间超过12周时，会对蛋鸡的生产性能产生负面影响[42-44]。造成上述现象可能是由于美拉德反应导致黑水虻虫粉中的热不稳定氨基酸（即赖氨酸，精氨酸，苏氨酸）的可用性降低[31]，因为幼虫虫粉在制备之前需要在90 ℃下干燥1 h 后再研磨[42]，或者是虫粉中的几丁质影响家禽对蛋白质的消化[44]。造成不同研究观察的结果不一致的因素有很多。家禽的种类不同，在各生长阶段的营养需求的差异均会导致家禽生产性能的差异。另外，在不同饲喂试验中，没有对家禽饲料的营养与能量统一，这在很大程度上也影响试验的结果。

黑水虻虫粉添加到猪饲料中的研究相比家禽养殖与水产养殖就相对较少。根据动物的取食率、饲喂持续时间和生长阶段等指标进行综合评估，发现黑水虻虫粉添加到猪饲料中饲养猪，猪的生长性能和猪肉品质均缺乏统一性[45-53]。使用含有黑水虻虫粉的饲料（豆粕替代率为65%）饲喂仔猪，其生长性能、采食量、饲料增重比、营养消化率、肠道形态和组织学特征与对照组相比没有显著影响[49，51]。但是，当仔猪饲料中黑水虻虫粉（豆粕替代率为75%）添加水平提高之后，会对猪的营养物质吸收以及生长产生负面影响[45,47]。总之，在饲喂猪时，使用黑水虻虫粉替代豆粕需要在合适的范围内才不会对猪的生长性能和肉质产生负面影响。由于黑水虻虫粉添加到猪饲料中的研究较少，缺乏足够的相关数据，有必要进行更大规模的研究来确定黑水虻虫粉添加到猪饲料中的上限，以及对猪肉产量与质量的影响。

5 黑水虻中功能性蛋白（肽）的开发利用-用于饲料蛋白“节流”

黑水虻等昆虫中除了含营养物质蛋白质和脂肪外，还含有大量抗菌促生长活性物质，通过对黑水虻基因组测序分析发现，黑水虻基因组编码50 种新型抗菌肽基因和36 种溶菌酶基因[54]。大量利用黑水虻虫粉作为功能性饲料添加剂研究显示，在饲料中添加较低的比例黑水虻虫粉，如饲料中5%黑水虻虫粉替代鱼粉，大口黑鲈对舒氏气单胞菌抗性明显增加[55]。断奶仔猪日粮中添加4%黑水虻虫粉，可以降低仔猪腹泻率，维持回肠形态的完整性，维持更好的免疫状态，改善肠道屏障功能[56]。黑水虻能够在畜禽粪便和餐厨垃圾等人畜共患病原菌存在较多的环境中生存和生长，其分泌的功能性蛋白或肽（如溶菌酶和抗菌肽）发挥重要作用，已从黑水虻基因组中克隆10 多个抗菌肽基因，有的在大肠杆菌和酵母中表达成功，并具有广谱拮抗人畜共患病原菌功能[24,57]。功能性蛋白（肽）在增强免疫和抗病的同时促进动物生长，可以降低饲料蛋白的使用量，达到饲料蛋白节流的目的。

6 黑水虻在固碳减排方面的作用

众所周知，黑水虻是一种资源节约环境友好型昆虫。在过去十多年，一种基于黑水虻转化有机固废生产饲料蛋白、生物柴油和生物肥料的新技术被开发出来[58]。然而，迄今为止，评估该技术温室气体排放和全球变暖潜在贡献的研究仍比较少。Ermolaev 等[59]的试验表明，黑水虻转化1 kg 食物垃圾的CO2排放量为96.5 g。Douglas 等[60]研究表明，与基于黑水虻转化的有机固废处理技术相比，堆肥等利用微生物分解有机固废的技术在短期内向大气中释放的碳基温室气体含量高出70%；Adeline 等[61]研究也指出黑水虻转化有机固废的直接CO2排放量比堆肥的排放量低47 倍[61]。黑水虻转化有机固废相较传统处理有机固废技术温室气体排放量更低，可有效减轻温室效应。

黑水虻之所以能够有效的降低转化有机固废过程中的温室气体排放量，依赖于其对各种有机固废的高效吸收同化能力。黑水虻及其肠道微生物分泌的大量酶将有机固废中的有机大分子分解并转化为黑水虻幼虫虫体的蛋白质、脂肪等营养物质，既降低了处理有机固废过程中的温室气体排放量，又获得了优质的饲料蛋白和生物油脂，一举两得。

先前黑水虻转化有机固废的研究主要集中在不同有机固废对黑水虻幼虫虫体生长发育和营养成分的影响、黑水虻协同微生物降解有机固废、黑水虻源蛋白饲料对动物生长性能的影响等方面[62]。最近，有部分研究开始关注黑水虻转化有机固废的初始含水率、碳氮比（C/N）等理化因素对温室气体排放的影响；也有研究关注于接种功能微生物进一步降低黑水虻转化有机固废过程中的温室气体排放。有研究探讨了不同含水率、C/N、pH 对黑水虻转化猪粪过程中温室气体总排放量和最终幼虫生物量的影响。结果表明，在初始含水率75%时黑水虻转化猪粪的总温室气体排放不到相同时期内传统猪粪堆肥排放的1%，并且获得最大幼虫重量；在C/N 为25 时黑水虻幼虫处理猪粪和玉米芯混合物获得最大幼虫重量，温室气体总排放量并非最低，但与常规猪粪堆肥相比仍然减少了85%以上的总温室气体排放；基质pH与CO2排放量呈负相关，提高底物pH 可有效降低总温室气体排放量[63]。

当前黑水虻转化有机固废碳减排技术的研究仍然较为薄弱，鲜有实际应用的案例。黑水虻作为一种资源昆虫，对多种有机固废有很好的食性，能高效地将有机固废转化为虫体蛋白质、脂肪，其固碳减排能力极强，进一步明晰其转化有机固废过程中温室气体排放的影响因素对于应用黑水虻大规模转化有机固废过程中的碳减排具有重要意义。

7 展望

黑水虻能够转化畜禽粪便和餐厨垃圾，在解决环境污染问题的同时，变废为宝，转化产生的黑水虻蛋白能缓解我国饲料蛋白短缺，同时可以减少碳排放，虫粪还可以作为优质的有机肥解决化肥替代问题。黑水虻产业目前刚刚起步，产业规模还不大，但未来潜力巨大，可以形成一套种养结合、资源循环的绿色循环产业链。根据国内外该领域的产业发展，需要在以下几个方面加强推进。

7.1 制定更完善的标准规范，黑水虻虫粉争取进入农业农村部饲料原料目录

黑水虻可以转化不同的有机固废，由于原料不同[目前主要是餐厨垃圾和畜禽粪便（如鸡粪、猪粪和牛粪等）]，它们的营养成分不同，营养成分以外的有害成分不同，虽然目前制定了一些地方标准和团体标准，但还不完善。2023 年“畜禽粪污资源化利用:昆虫转化利用”纳入“农业废弃物资源化利用 生物质资源综合利用”国家标准[64]，只是对黑水虻（学名：亮斑扁角水虻）转化设施设备、工艺流程和技术要求进行了规范，但对获得的虫体没有进行规范。因此，需要对黑水虻原料预处理方法、转化过程规范和转化获得的虫体营养和安全指标进行全产业链制定地方标准和行业标准，使地方和整个黑水虻行业有规范的标准可遵循。在此基础上将转化获得的黑水虻虫粉和脱脂虫粉纳入农业农村部饲料原料目录。

7.2 转化不同有机固废获得的黑水虻风险评估，保证获得的虫粉安全性

黑水虻转化不同有机固废，建议从原料的源头进行风险检测评估，同时对转化全过程中挥发性污染物及新兴污染物实时监测，识别转化过程中挥发性物质主要成分并建立控制和转化主要臭味气体的技术。对转化过程中人畜共患病原微生物、抗生素和重金属等有害物质进行实时监控，发展减毒和控制技术，达到环境安全水平；对转化过程中产生的渗漏液、虫体、虫粪及相关产品等进行监测，构建转化全过程环境风险评价体系。

7.3 加强黑水虻营养特征的深入研究

黑水虻转化不同有机固废获得的虫粉营养组成不同，尤其是氨基酸和脂肪酸组成和含量不同，需要分析其营养组成是否平衡，针对不同的畜禽和水产动物营养要求不同，进行营养精准调配制定黑水虻饲料配方。

7.4 加强黑水虻功能性蛋白（肽）的研究与开发

黑水虻虫体不仅含有蛋白质，还含有多种活性分子，包括功能性蛋白，如溶菌酶，功能肽，如抗菌肽，通过酶解或发酵产生的寡肽，具有多种生物学功能，值得深入研究和开发，

这些功能性蛋白或寡肽通过添加，除了增强畜禽水产动物的免疫功能外，还可以减少饲料蛋白的使用量。黑水虻产品的使用还可以增加畜禽、水产动物的风味，其机制还不清楚，值得深入研究。

7.5 加强黑水虻转化有机固废碳减排技术开发与碳减排效能评估

黑水虻能高效摄食畜禽粪便转化成自身生物质，缩短了粪污常规微生物处理的周期，同时有效降低常规技术40%以上的二氧化碳排放，且几乎不产生甲烷。但黑水虻碳固定应用关键技术体系尚不完善，未建立相关碳排量评估体系，缺乏促碳固定生物制剂，未充分发挥黑水虻-微生物协同碳固定效率。因此需要加强黑水虻与微生物高效转化有机固废碳固定关键技术研究，开展黑水虻规模化应用条件下的碳减排效能评估。