黑水虻降解高粱秸稈能力的探究

彭建 黎春生 吳長瀟 曾麗艷 朱貴明

摘 要：農(nóng)作物秸稈作為重要的生物資源，具有多種用途，但利用率卻很低。釀酒是我省主要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，每年會產(chǎn)生大量的酒糟和高粱秸稈。昆蟲對有機廢棄物的轉(zhuǎn)化效率極高，有很好的利用潛力。評估黑水虻幼蟲對高粱秸稈取食能力，探究黑水虻幼蟲在不同比例（高粱秸稈＼麥麩）下的最適生長密度。用含不同比例的高粱秸稈作為飼料對黑水虻幼蟲進行飼養(yǎng)，觀察其對幼蟲生長發(fā)育的影響。實驗共設(shè)有7組，每組培養(yǎng)基含量為60g，其中1個對照組，6個實驗組，每組高粱秸稈比例分別為0%、30%、40%、50%、60%、70%、100%。在每組中分別加入40、60、80、100、120只3齡期的黑水虻幼蟲，相同條件下飼養(yǎng)6天，測幼蟲平均增重。在高粱秸稈和麥麩混合飼養(yǎng)黑水虻幼蟲時，高粱秸稈占飼養(yǎng)總重的比例為40%且養(yǎng)殖密度為100只時，黑水虻幼蟲的增長狀況最佳。高粱秸稈比例為70%培基降解前后的成分含量測定結(jié)果表明：黑水虻能降解木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、總糖、總蛋白和總脂肪，并在降解過程中提高食物殘渣中的蛋白含量。綜上，黑水虻對高粱秸稈具有一定的取食能力，培養(yǎng)基總重為60g，高粱秸稈占飼養(yǎng)總重的比例為40%且養(yǎng)殖密度為100只時，黑水虻幼蟲的體重增長狀況最好。

關(guān)鍵詞：黑水虻;秸稈;最適密度;降解

我國作為世界上的人口大國，隨著居民生活水平的提高，對糧食的需求量與日俱增。在糧食生產(chǎn)的過程中，小麥、水稻、玉米等農(nóng)作物產(chǎn)生的秸稈這一農(nóng)副產(chǎn)品已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的疑難問題[1]。農(nóng)作物秸稈作為重要的生物資源，具有多種用途，但利用率卻很低，傳統(tǒng)方式現(xiàn)場焚燒屢有發(fā)生。焚燒秸稈會嚴重污染空氣并危害人體健康、易引發(fā)火災(zāi)、造成營養(yǎng)物質(zhì)流失，破壞土壤結(jié)構(gòu)等[2]。目前降解秸稈的方式除焚燒處理外還有化學、微生物處理的方法?；瘜W處理包含了秸稈堿化、氨化等方式不僅造成資源浪費，也給環(huán)境造成一定的壓力[3]。微生物處理對秸稈中的某些成分有一定的作用，而對纖維素和木質(zhì)素等的處理并不理想[4]。近年來，秸稈還田這一技術(shù)興起，在一定程度上緩解了秸稈焚燒和化學處理帶來的問題，但這一技術(shù)也存在相應(yīng)的問題：秸稈長期還田對微生物群落的影響不僅在于微生物量的變化，也明顯影響著微生物群落結(jié)構(gòu)[5]，還田量大工程艱巨以及高粱秸稈與土壤混合不均勻?qū)е伦魑镩L勢不均一等[6]。因此，如何環(huán)保高效地處理秸稈成為亟待解決的問題。

近年來，昆蟲資源在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。黑水虻（Hermetia illucens L.），是一種腐生性的雙翅目水虻科扁角水虻屬的昆蟲，中文名亮斑扁角水虻，英文名Black soldier fly[7]。因為其具備繁殖迅速、生物量大、食性廣泛、吸收轉(zhuǎn)化率高、容易管理、飼養(yǎng)成本低等特點，在全世界得到廣泛推廣。已有研究表明黑水虻幼蟲以餐廚垃圾為食，可將體積龐大的有機廢棄物轉(zhuǎn)化成高附加值產(chǎn)品[8]。黑水虻在畜禽糞便處理方面具有轉(zhuǎn)化效率高，無衛(wèi)生安全風險，實現(xiàn)糞便減量化、無害化、資源化、能夠有效控制糞便發(fā)酵產(chǎn)生的異味等優(yōu)勢，黑水虻可被用于畜禽糞便的處理[9-14]。釀酒作為我省的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的高粱秸稈和酒糟等有機廢棄物，因此，對這些有機廢棄物的循環(huán)利用將會有助于我省綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。目前，雖已有實驗證明黑水虻可降解餐廚垃圾及糞便，但至今仍未有運用黑水虻來進行高粱秸稈降解的相關(guān)報道。本課題組從黑水虻的相關(guān)特性出發(fā)，對其在高粱秸稈降解方面進行研究，其目的在于揭示黑水虻對高粱秸稈降解能力，為昆蟲資源開發(fā)及我省綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1.材料與方法

1.1.材料

同期化的3齡黑水虻幼蟲、含不同比例的麥麩高粱秸稈、濕控器、蚊帳、加濕器、溫控器、產(chǎn)卵盒，一次性塑料培養(yǎng)盒，粗，細網(wǎng)格紗布若干塊。

1.2. 方法

1.2.1 幼蟲同期化

黑水虻成蟲產(chǎn)卵一般產(chǎn)在幼蟲食物附近干燥的縫隙里，產(chǎn)卵成塊狀，取瓦楞紙板將其剪裁成適當大小的形狀，用透明膠布將5-6塊裹在一起置于發(fā)酵的麥麩旁的紗布上。定期檢查卵塊，并將同一天產(chǎn)出的卵塊從瓦楞紙板小孔內(nèi)挑出，置于培養(yǎng)盒（裝有濕度為70%的麥麩的培養(yǎng)基）上覆蓋的粗網(wǎng)格紗布上，在溫度為28-29℃，濕度為70%的實驗室里等候其孵化。觀察紗布上內(nèi)的卵塊孵化情況，及時轉(zhuǎn)移紗布到新的培養(yǎng)盒上，確保黑水虻幼蟲同期化。

1.2.2 觀察五組不同密度黑水虻幼蟲在相應(yīng)高粱秸稈比例下的生長狀況

每組均配置高粱秸稈比例為0%、30%、40%、50%、60%、70%、100%培養(yǎng)基，每個培養(yǎng)基干重60g，再挑取同時間孵化，生長至3齡大小差別較小的幼蟲2800只。第一組的每個比例培養(yǎng)基內(nèi)都加入40只，第二組加入60只，第三組加入80只，第四組加入100只，第五組加入120只，并在培養(yǎng)盒做相應(yīng)標記，放在溫度28-29℃，濕度60%的實驗室中養(yǎng)殖6天。再挑出每盒培養(yǎng)基中的蟲，記錄每個培養(yǎng)基內(nèi)的蟲數(shù)并稱重。

1.2.3 測量培養(yǎng)基前后成分含量

配置高粱秸稈比例為70%，總重60g的培養(yǎng)基2盒，其中A盒不放蟲，B盒放80只蟲，用上述飼養(yǎng)方法培養(yǎng)6天，烘干后分別取20g樣品測量成分含量，A結(jié)果為實驗前成分，B結(jié)果為實驗后成分，木質(zhì)素、纖維素、半纖維素采用范式法，總糖采用UV法，總蛋白采用凱氏定氮法，總脂肪采用索氏提取，記錄分析相應(yīng)成分的測量數(shù)據(jù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)記錄并整理

記錄每個培養(yǎng)盒中試驗后體重，而后計算每個培養(yǎng)盒中蟲前后重量平均值的增重值。

運用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2. 結(jié)果

2.1黑水虻生活簡史

黑水虻的生長周期歷經(jīng)卵期、幼蟲期、蛹期和成蟲期，整個生長周期 35 d左右。黑水虻幼蟲食雜性廣，能降解除骨骼與幾丁質(zhì)外的所有固體有機廢棄物，可運用于餐廚垃圾、動物糞便、植物性垃圾等的處理。

2.2 五組不同密度黑水虻幼蟲在相應(yīng)高粱秸稈比例下的生長狀況

圖 1 ?40只幼蟲在不同比例中的平均增重 ? 圖2 ?60只幼蟲不同比例中的平均增重

圖 3 ?80只幼蟲在不同比例中的平均增重 圖 4 ?100只幼蟲在不同比例中的平均增重

圖 5 ?120只幼蟲在不同比例中的平均增重

如圖1所示，40只幼蟲，其平均增均重在0～40%之間呈減少趨勢后，于40～60%迅速增加，之后逐漸減少，即40只蟲于60%處的平均增重最為明顯，平均增重為0.091875g。如圖2所示，60只幼蟲，其平均增重于0～40%區(qū)間內(nèi)呈增加后減少的輕微波動趨勢，40～50%處達到迅速增加，50%之后平均增重逐漸減少，故60只蟲的平均增重于50%的高粱秸稈比例處達峰值，達到0.097966667g。如圖3所示，80只幼蟲，其各比例的平均增重幅度變化較為平緩，于40%處達到頂峰，為0.0772375g，其增長峰值是各組中最低的。如圖4所示，100只幼蟲，的平均增重于0～30%比例下有輕微減少，而后于40%處突增達到其平均增重的鋒值，且為各組中峰值的最大值，其平均增重為0.12263g，之后比例下平均增重值逐漸減少。如圖5所示，120只幼蟲，平均增重于0～40%處緩慢增加，于40%處達到最大值，平均增重為0.081975g，40～50%區(qū)間內(nèi)平均增重減少，50～70%區(qū)間內(nèi)又逐漸增加。各組70%之后的高粱秸稈比例下蟲的平均增重均急劇降低，高粱秸稈比例達到100%時，幼蟲呈負增長。在秸桿比例為40%、養(yǎng)殖密度為100只時，幼蟲生長發(fā)育狀況最佳。

2.3 培養(yǎng)基前后成分含量測定

表1 70%高粱秸稈降解前后成分含量測定結(jié)果

序號 測試項目 測試數(shù)據(jù)

A（降解前） ?B（降解后） 實驗后成分增長百分數(shù)

1 木質(zhì)素，g/100g 14.50 11.70 -19.31%

2 纖維素，g/100g 38.20 35.40 -7.33%

3 半纖維素，g/100g 29.60 28.30 -4.39%

4 總糖，g/100g 33.18 26.30 -20.74%

5 總蛋白，g/100g 4.33 6.31 45.73%

6 總脂肪，g/100g 0.60 0.50 -16.67%

高粱秸稈降解前后的成分含量測定結(jié)果表明：實驗后木質(zhì)素減少了19.31%，纖維素減少了7.33%、半纖維素減少4.39%、總糖減少20.74%、總脂肪減少了16.67%，總蛋白增加了45.73%。即黑水虻可以通過降解秸桿麥麩維持其自身的生長發(fā)育，并提高培養(yǎng)基中的總蛋白含量。

討論

從實驗數(shù)據(jù)分析，在不同比例高粱秸稈中黑水虻均能存活，實驗結(jié)果證明在高粱秸稈含量為100%時黑水虻仍能存活，但是限制了幼蟲的生長發(fā)育，討論該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是幼蟲降解麥麩所獲得的能量可以供其降解高粱秸稈。相較于用焚燒、填埋以及正在研究中的用微生物降解等方式來解決高粱秸稈大量堆積問題，黑水虻降解高粱秸稈不會污染空氣，促進高粱秸稈的有機物及纖維素降解等，將有機質(zhì)最大限度回歸農(nóng)田，并可以產(chǎn)生昆蟲蛋白質(zhì)。雖然在秸桿比例為40%、養(yǎng)殖密度為100只時，幼蟲生長發(fā)育狀況最佳，但在實際生產(chǎn)生活中，從成本消耗（秸桿較為便宜）及秸桿降解效率上考慮，以培養(yǎng)基干重60g為例，我們可以選擇50%左右秸桿比例飼養(yǎng)60只蟲或者60%左右秸桿比例飼養(yǎng)40只蟲。

由培養(yǎng)基降解前后的成分含量對比，可以得出黑水虻能以高粱秸稈中的某些成分為食而維持其生長，黑水虻降解過后的培養(yǎng)基中總蛋白含量有所提高，分析該現(xiàn)象出現(xiàn)可能是因為降解過程中可以增加氨（NH4+）的濃度，從而增加培養(yǎng)基中含N量，故總蛋白含量增加。研究表明，經(jīng)幼蟲處理后泔水中NH4+含量比未經(jīng)幼蟲處理泔水中NH4+高5～6 倍[15]。這5～6倍的NH4+可能來自黑水虻糞便中的有機氮。已知黑水虻幼蟲的生長發(fā)育依賴于取食麥麩，但在培養(yǎng)基在高粱秸稈含量為零而麥麩含量為100%時幼蟲的生長發(fā)育狀況并不總是最佳，其影響因素可能是與培養(yǎng)基的含氧量和濕度以及麥麩與秸桿中成分含量的差別等因素有關(guān)。

目前，已經(jīng)有許多方法對木質(zhì)素、纖維素進行降解，但是在真正實施規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化之前，必須保證其經(jīng)濟化效益，以低投入，高收益為準繩。本實驗中，發(fā)現(xiàn)黑水虻能對有機物進行不同程度的降解，我們有理由相信，在不久的將來，黑水虻會有助于解決高粱秸稈大量焚燒以及酒糟的循環(huán)利用的問題。

參考文獻

[1]洪鶴，.生物質(zhì)成型燃料：高粱秸稈應(yīng)該這么“燒”[J].農(nóng)產(chǎn)品市場周刊，2017，0（32）

[2]謝其標，陸上嶺，王艷，.高粱秸稈焚燒和高粱秸稈次生污染危害及控制利用[J].環(huán)境科技，2009，22（A02）

[3]劉瑞玲，.高粱秸稈飼料的化學處理方法[J].今日畜牧獸醫(yī)：奶牛，2016，0（6）

[4]宋安東，王磊，王風芹，謝慧，.微生物處理對高粱秸稈結(jié)構(gòu)的影響[J].生物加工過程，2009，7（4）

[5]鄧巧玲，何俊峰，李繼福，吳啟俠，鄒家龍，胡義濤，黃帥，.長期高粱秸稈還田對水旱輪作土壤結(jié)構(gòu)及微生物多樣性的影響[J].長江大學學報：自然科學版，2018，15（2）

[6]董印麗，李振峰，王若倫，卜學平，付建敏，董秀秀，.華北地區(qū)小麥、玉米兩季高粱秸稈還田存在問題及對策研究[J].中國土壤與肥料，2018，0（1）

[7]夏嬙，，趙啟鳳，廖業(yè)，朱偉，喻國輝，陳遠鳳，宋明英，.黑水虻抗菌肽誘導條件優(yōu)化及粗提物活性研究[J].環(huán)境昆蟲學報，2013，（1）

[8]代發(fā)文，葛遠凱，梁偉才，關(guān)則賢，黃燕華，.黑水虻處理餐廚垃圾漿料的生產(chǎn)性能及其幼蟲生長發(fā)育規(guī)律研究[J].養(yǎng)豬，2017，0（6）

[9]劉韶娜，趙智勇，.黑水虻對畜禽廢棄物治理的研究進展[J].養(yǎng)豬，2016，0（2）

[10]王蕾，邢志先，吳昊，李春風，.黑水虻營養(yǎng)價值及在畜禽糞便處理中的運用[J].中國畜禽種業(yè)，2018，14（3）

[11]柴志強，朱彥光，龍云，張建文，鄭遠曉，.利用黑水虻處理禽畜糞便[J].甘肅畜牧獸醫(yī)，2016，46（8）

[12]安新城，，李軍，呂欣，.黑水虻處理養(yǎng)殖廢物的研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2010，33（3）

[13]馬加康，郭浩然，王立新，.新鮮鴨糞對黑水虻幼蟲生長發(fā)育及糞便轉(zhuǎn)化率的影響[J].安徽科技學院學報，2016，30（1）

[14]徐齊云，龍鏡池，葉明強，安新城，韓詩疇，黑水虻幼蟲的發(fā)育速率及食物轉(zhuǎn)化率研究[J].環(huán)境昆蟲學報，2014，36（4）

[15] GREEN T R，POPA R. Enhanced ammonia content in compost leachate processed by black soldier fly larvae [J]. Appl Biochem Biotechnol，2012，166（6）：1381-1387.