微精选

toxics 2024，12（6），414

https://www./2305-6304/12/6/414

https:///10.3390/toxics12060414

Hermetia illucens 幼虫可以使用有机废物作为基质，这使它们成为一种有趣的潜在饲料。然而，废物可能含有重金属，而这些重金属在饲料中受到限制。在这里，我们研究了 H. illucens 在有机废物上生长的能力，并测量了它们的重金属生物积累。幼虫以食物残渣、沼气沼渣和污水污泥为食。当看到第一只成蝇时，测试停止，幼虫立即处理。分别使用 AAS 和 ICP-OES 分析样品（使用前的废物、喂食后的幼虫）的矿物营养和重金属含量。结果表明，以食物垃圾为食的幼虫的重量增加了 7 倍，这与预期大致一致。使用沼气站的污水污泥和沼渣喂养的污水增加了三倍。虽然用污水污泥喂养的幼虫超过了原料中重金属（特别是 Cd 和 Pb）的限值，但用沼渣和食物垃圾喂养的幼虫却没有。这些发现补充了文献，表明不同废物适合作为 H. illucens 饲料，以及从用作动物饲料的幼虫中排除受重金属污染的废物的重要性，否则将这些幼虫转移到非饲料用途。

关键词：昆虫;黑水虻;废物;重金属;动物饲料

随着全球人口和生活水平的提高，与食品消费相关的有机废物越来越受到关注。虽然有机废物，如沼渣和污水污泥，在农业中可以用作肥料或堆肥，但它们的成分和产生量是一个严重的问题。这两种类型的废物通常被送往垃圾填埋场或进行能源回收，这是废物管理层次结构中最不受欢迎的选择。

在过去的几十年里，人们将重点放在黑水虻 （BSF） Hermetia illucens （Diptera：Stratiomyidae） 在有机废物处理中的应用。这些幼虫的生产相对简单，它们主要用于发展中国家的废物管理。它们能够消耗多种有机废物，甚至人类粪便。关于使用 BSF 幼虫进行有机废物处理的研究主要集中在作为食物垃圾作为饲料;对脂质、氨基酸、维生素和矿物质含量等各种参数的分析证实了其适用性。然而，调查其他类型废物（如农业和特殊废物）的研究数量要少得多。

BSF 幼虫不仅能够分解有机物质，还能够分解细菌或真菌产生的各种毒素 。在特定条件（温度、湿度等）下，以废物为食的幼虫可在第14-40天发育到前蛹期。前蛹依靠脂肪储备生活，再过两周后成为成蝇。此外，幼虫本身可以用作饲料;在这种情况下，它们的生命周期应该在前蛹阶段之前终止，因为这是营养成分组成最高的时候。

尽管幼虫具有天然免疫力，但如果它们被用作牲畜的饲料，它们的毒素和毒物积累可能会引起问题。根据欧盟 （EU） 饲料法规，禁止在动物源性材料上饲养幼虫，但牛奶、鸡蛋、蜂蜜等少数例外。欧盟在“理事会指令 2002/32/EC”中规定了各种污染物（如重金属和黄曲霉毒素）的法律限值 。当粪便用作幼虫的饲料时，分析显示重金属的积累，特别是As、Cd、Hg和Pb，但幼虫的生长速度没有受到显著影响。即使是在受污染的玉米叶上饲养的幼虫也能同化 Cd 和 Zn。

就废物来源而言，必须考虑到，当沼气消化时，特别是使用污水污泥时，物质积累的风险更为显著。污水处理厂的污水污泥通常不仅含有有机物和高营养物含量，还含有氯化合物、金属、药物和病原微生物。相比之下，沼渣虽然有机物含量不高，但某些有毒物质（如重金属或药物）的含量可能较低。在以更有效的方式使用这两种有机废物作为幼虫饲料的情况下，有必要确定它们对幼虫生长和成分的影响，特别是关于可能降低其可重复使用性的污染物。

在本文中，我们重点研究了食物垃圾、沼气沼渣和污水污泥作为 H. illucens 幼虫饲料的适用性，包括幼虫生长、幼虫发育以及幼虫和饲料的矿物质组成。关于法定限值，分析了幼虫的重金属含量。

2.1. 基材

测试了三种有机废物，即厨余 （FW）、两种沼气沼渣 （BG1 和 BG2） 和来自污水处理厂的污水污泥样本 （S）。所有样品均来自捷克共和国。从附近的学校食堂收集厨余，并使用电动厨房堆肥机（GG-10，Oklin，曼谷，泰国）加工成最终基质，将垃圾量减少了约 90%。在切碎之前，对食物垃圾进行手动分类，以检查可能存在的塑料污染。沼气沼渣是从两个不同的沼气厂收集的，这两个沼气厂主要使用农业废弃物，如玉米青贮饲料、草干草和牛粪浆，在湿式发酵过程中生产沼气。污水污泥是从废水处理厂收集的，该废水处理厂使用机械和生物工艺处理市政和工业废水。添加蒸馏水以确保食物垃圾中含有适当的水分。使用的污泥和沼渣样品含水量过高，需要在进一步使用前进行预处理。因此，在沼渣样品中加入少量椰子底物 （15% w/w）。虽然这不能被幼虫消化，但它确实提供了更合适的粘度水平，理想情况下应该在 70% 到 80% 之间，但即使更高的水分水平也不会对幼虫的存活率产生重大影响。对于污泥实验，没有使用椰子基质;相反，使用了离心污泥。

2.2. 实验设计

黑水虻幼虫是从私人饲养员那里获得的。测试前，用蒸馏水洗涤幼虫并在盒子中放置 24 小时以排空其胃肠道。称取 7 日龄幼虫（每个重复约 700 只）放入塑料容器（80 × 90 × 160 毫米）中，用盖子上的金属网格进行调整，以防止在先前加入废样品（100 毫克干重/幼虫）后逃逸。将容器置于温度设置为 28 °C 和 14：10 光照循环的培养箱中。定期喂养幼虫，每两到三天一次，并根据蒸发速率添加软化水，以保持至少 70% 的湿度。实验一式三份进行。

当观察到第一批成蝇时，幼虫的摄食停止，并且不同样本的发育时间不同。用镊子手工采摘幼虫，用软化水冲洗数次，然后用纸巾擦干。干燥后，称量幼虫并在冻干前置于 -80 °C 的超低温冰箱中。冻干 24 小时后（Alpha 2-4 LD plus，Martin Christ，Osterode am Harz，德国），用研杵在研钵中压碎幼虫，用于后续分析。

2.3. 矿化和元素分析

冻干后对幼虫和底物的矿物质营养成分和重金属含量进行分析。将粉末样品按3：1的比例放入装有盐酸（37%）和硝酸（65%）混合物的烧杯中，并在加热板上以80°C加热直至完全矿化。过滤和稀释后，通过原子吸收光谱法（SensAA，GBC Scientific Equipment，澳大利亚基斯伯勒）分析矿化样品中的钠 （Na）、钾 （K）、钙 （Ca） 和镁 （Mg），并通过 ICP-OES 光谱法（iCAP 7400，Thermo Scientific，美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）分析总磷 （P）、锰 （Mn）、铁 （Fe）、铜 （Cu）、锌 （Zn）、铝 （Al） 和重金属，如铅 （Pb）。镉 （Cd）、铬 （Cr） 和镍 （Ni）。营养物质含量表示为每公斤干物质的化合物量。

2.4. 数据分析

实验和样品分析在三个独立的生物重复中进行。元素含量数据以 SD ±平均值 （n = 3） 表示。进行单因素方差分析 （ANOVA） 以检验幼虫处理之间的差异，事后使用 Student t 检验来确定 p < 0.05 时差异的显着性，然后进行 Bonferroni 校正以进行多重比较。

3.1. 底物的组成

在所研究的宏量营养素中，食物垃圾的钙和钠含量最高，是沼渣和污泥中钙和钠含量的两倍多（表 1）。其钙磷比超过 11，而其他基质的钙磷比明显较低，污泥的磷值也最高，约为 0.8，两种沼渣的磷值都在 1.3 到 1.6 之间。沼渣中的钾含量相对较高，是污泥中钾含量的十倍以上。食物垃圾中的微量营养素含量明显低于沼渣和污泥中的微量营养素含量，甚至低出数千倍。在污泥中发现了最高水平的微量营养素，与沼渣相比，污泥中的铁、铜和锌含量明显更高。相反，污泥中存在的 Mn 含量低于沼渣中，几乎是 BG1 的两倍。沼渣中微量营养素的数量基本相等，但 Fe 含量表现出三倍差异。大量的重金属遵循与微量营养素相似的趋势。在污泥中观察到的含量最高，尤其是 Ni 和 Cr。食物垃圾和椰子中的一些元素，尤其是 As，低于检测限。沼渣中的重金属含量大多在 2 mg/kg 左右。

3.2. 幼虫生长性能

幼虫的初始干重与食物垃圾上饲养的幼虫相匹配（表 2）。相反，尽管水分含量保持波动最小，但以沼渣和污泥为食的幼虫仅表现出干重的一半。食物垃圾和沼渣的幼虫发育速度相当，大约需要一个月或更短的时间。

在最后阶段观察到两种沼渣之间的发育差异为一周。BG2 沼渣所需的生长持续时间几乎是其两倍，污泥中的幼虫达到每只幼虫约 47 毫克的等效重量。结果表明，10 克的幼虫较少导致个体体重增加和发育更好。与起点相比，以食物垃圾饲养的幼虫的体重增加了 7 倍，而以 BG2 沼渣和污泥饲养的幼虫的体重增加了三倍以上。

3.3. Hermetia illucens 的矿物组成

表 3 显示了 H. illucens 在不同基质下测试后的矿物组成结果。研究结果表明，在食物垃圾上饲养的幼虫每公斤干重的矿物质含量最低，尽管某些矿物质（如 Ca 或 Na）在原始基质的分析中含量最高（表 1）。尽管幼虫发育存在 7 天的差异，但两种沼渣幼虫的矿物质含量在数量上非常相似（表 2），表明预期会增加。虽然用沼渣 BG1 饲养的幼虫的 Ca 和 P 含量略高于 BG2，但它们的 K 含量较低，Mg 含量较高。这表明与底物形成鲜明对比，与 BG2 相比，BG1 在所有矿物中的值都更高。在以沼渣为食的幼虫中观察到钙、镁和所有微量矿物质的大量积累，而以食物垃圾为食的幼虫则具有较低的所有矿物质值。与以食物垃圾饲养的幼虫相比，沼渣中的幼虫的 Mn、Fe 和 Cu 水平也高出五倍以上。在分析以沼渣为食的幼虫和以污泥为食的幼虫时，只有 Ca 在宏量矿物质含量方面显示出显着差异，增加了两倍。其他大矿物的含量相似，甚至 Mg 的含量也低于 BG1。在研究污泥喂养的幼虫中的微量矿物质含量时，观察到与基质本身相称的趋势。与沼渣中的幼虫相比，大多数元素的含量更高，Cu 增加了 10 倍，Fe 增加了 8 倍。这些底物对 Ca/P 比率也有相当大的影响，食物垃圾幼虫的 Ca/P 比率最低，而污泥幼虫的 Ca/P 比率最高。

3.4. Hermettia illucens 中的重金属含量

被分析并对健康构成毒性危害的重金属包括镉 （Cd）、铅 （Pb）、铬 （Cr）、镍 （Ni） 和砷 （As）。由于检测限制，无法测量食物垃圾和沼渣幼虫中 As 的含量以及 BG2 幼虫中 Ni 的含量。用污泥喂养的幼虫记录了所有分析的重金属含量最高（表 4），这与原始基质分析的结果一致。在几乎所有分析的金属中，食物垃圾的含量最低。以沼渣为食的幼虫对所有重金属的含量非常相似，约为 1 mg/kg。Cd 的量低于 0.5 mg/kg。然而，对 BG2 沼渣饲养的幼虫的分析显示，除 Ni 外，其含量较高，并且两种浓度均超过 Pb 的 1 mg/kg 量。

本研究检查了幼虫消耗各种形式的有机废物的能力，即食物垃圾、沼渣和污水污泥。比较了这些废物的矿物成分和重金属污染。结果证实，沼气沼渣和污水污泥可以成为 H. illucens 的可行基质，但前提是要考虑到废物来源和性质。使用7日龄的幼虫进行测试，当喂食不易消化的废物时，被认为效率更高。幼虫对各种材料结构的偏好在发育阶段有所不同。虽然饲料减少不会导致幼虫的显著死亡，但它确实会导致发育期延长。这是由于蛹过渡所需的最低能量储备建立较慢。此外，它还会降低成熟时的干物质产量。必须保持适当的条件，以保证将废物转化为生物质的一致饲养过程。幼虫饲养基质对所得幼虫的矿物成分有重大影响。某些参数（如P、Mg或K含量）比其他参数（如Na）受这种影响更大。然而，一些研究表明，在不同基质上茁壮成长和增加生物量的能力不仅限于食物垃圾和动物饲料，还延伸到动物粪便和粪便。

4.1. 幼虫生长性能

以食物垃圾饲养的幼虫在一个月内体重增加最高，发育更快，这可能是由于其良好的饮食成分和营养成分的变化很小。通常，食物垃圾包含多种可食用材料，如剩余的谷物、肉类、水果和蔬菜残渣。因此，它由不同比例的蛋白质、脂肪、纤维和矿物质组成。它也不应含有比污泥等更多的污染物，这可能会影响幼虫的发育。含重金属的底物会导致幼虫生长障碍，从而降低体重和饲料转化率。除了重金属外，基材通常还含有微生物和杀虫剂等污染物。尽管昆虫幼虫对某些人类病原体具有抗菌特性，但它们也含有微生物和化学污染物，这些污染物在随后的使用过程中会转移到产品中。以沼渣和污泥为食的幼虫的生物量增加量不如以食物垃圾为食的幼虫。然而，与开始时相比，它们的生物量确实增加了三倍，并且有一次，以沼渣为食的幼虫的发育时间甚至更短。Pas等指出，沼渣在蛋白质和脂肪方面的营养价值低于食物垃圾。然而，它的矿物质含量要高得多。沼渣中较高的可利用营养物质含量导致更高的幼虫产量。提高沼渣的消化率和利用率可以通过降解来实现，特别是通过最大限度地减少纤维素的影响。

4.2. Hermetia illucens 的矿物组成

钙、磷、镁、钾和钠等巨量矿物质以每公斤干物质克数的速度存在于完全饲料中，对牲畜的正常生长和提高其整体质量起着至关重要的作用。它们以适当的比例和比例参与动物的许多生理过程，如能量代谢、骨成熟、细胞结构，并显著促进蛋鸡蛋壳的生长和耐久性。Ca/P 比率是饲料的关键因素。建议生产食用蛋的母鸡保持 10：1 至 15：1 的比例，而斑点鲶鱼的比例应保持在 1.5 至 1.8：1 之间 [61]。我们在以食物残渣和沼渣为食的幼虫中观察到的 Ca/P 比率几乎在规定范围内，食物垃圾为 1.54，沼渣为 3.82、4.02。但饲养需求取决于多种因素，包括季节、发育期和饲养系统。同时，过量的元素含量（如 Ca）可能会升高胃的 pH 值，使人更容易感染。

与用食物垃圾喂养的幼虫相比，用沼渣和污泥喂养的幼虫表现出相当高水平的不同矿物质，特别是 Ca、Na 和 P。基质内的元素粘附方式不同，因此对幼虫的可及性也不同。在几乎所有测试的幼虫中，钙的浓度明显高于其他矿物质，这有利于它们的后续利用。唯一的例外是在食物垃圾中观察到 K 的浓度超过 Ca。钙水平升高可能是由于 BSF 幼虫从生命开始就存在较高的钙水平，因为它以碳酸钙的形式整合到其外骨骼中。此外，它在前蛹和蛹阶段的数量增加。已发表文献中记录的 Ca 水平不同。与纯水果和蔬菜垃圾相比，我们在食物垃圾中的检测水平低了两倍多。然而，与餐厅和厨余垃圾相比，我们的水平高出三倍多。在这些研究中，餐厅和厨房垃圾中的磷含量与我们观察到的约 4 g/kg 的值没有显着差异。对用污泥喂养的幼虫的分析表明，其宏量矿物质值与沼渣中的常量矿物质值相当，但 Ca 除外，其浓度几乎是污泥浓度的两倍。相反，以沼渣为食的幼虫的Ca值几乎比]进行的类似研究低三倍，而Mg、Na和P的水平是其两倍。沼渣中Ca浓度升高可归因于用于厌氧消化的初始废物，其中可能包括乳制品。

对微量矿物中的铜、锰、锌和铁进行了分析。结果表明，锌含量在开始时浓度较高的基质（如污泥）中增加，其中超过 3 g/kg 会导致幼虫质量接近 1 g/kg。外来的锌供应导致锌在最后发育阶段积累，在大约 420 mg/kg 的水平下没有观察到任何毒性作用。锌作为酶和 DNA 结合蛋白的成分在昆虫中的重要性也已得到证实。然而，在幼虫中检测到的锌含量很高，可能造成了不利影响，与食物浪费相比，导致产量降低。然而，昆虫具有与其他生物相似的功能，因为它们以更高的浓度积累或排泄矿物质。用沼渣喂养的幼虫体内的 Cu、Zn 和 Fe 含量比污泥中的低数倍，而 Mn 含量高出两倍以上。Spranghers 发现，以沼渣饲养的 Prepreae 的某些元素含量较低。Cu 的量不到 2 倍 （10 mg/kg），而 Zn 的量超过 5 倍 （50 mg/kg）。同样，Mn 和 Fe 值具有可比性，分别为 380 和 430 mg/kg。应该注意的是，仅仅因为一种矿物积累良好，并不一定意味着整个矿物成分都是合适的。

4.3. Hermetia illucens 中的重金属含量

重金属是饲料行业中的常见污染物，它们受到限制。根据欧洲议会和理事会关于动物饲料中有害物质的第2002/32/EC号指令，成品饲料中的授权阈值为砷2 mg/kg、铅5 mg/kg和镉0.5 mg/kg。幼虫中重金属的浓度取决于基质。当污泥用作原料时，基质中的高初始浓度（铅为 213.8 mg/kg 和镉为 10.7 mg/kg）导致镉 （7.3 mg/kg） 和铅 （54 mg/kg） 的显着积累。这种积累大大超过了适用的限值，使污泥成为不适合用作原料的基质。相比之下，尽管沼渣中的重金属浓度高于食物垃圾，但在幼虫中的积累并未超过限值，使其成为未来可能适合幼虫使用的饲料。我们的研究结果与各种食物垃圾的类似研究一致，其中食物垃圾幼虫中的铅水平在 0.08 至 1.5 mg/kg 之间，而 Cd 在 0.02 至 7.9 mg/kg 之间，Cr 在 0.08 至 3 mg/kg 之间。既往研究表明，Cd 和 Pb 可在幼虫体内积累。尽管观察到 Cd 水平较高，但未发现发育有显著差异。尽管如此，重金属的存在可能导致氧化应激略有增加，并可能影响微生物组的健康。在较高浓度的Cr下，幼虫期的积累比蛹期的积累更大[73]。这可能归因于此阶段停止摄食。Cd 也观察到类似的模式，可能表明随着发育的进展，对重金属的防御机制增强。

虽然之前的一些研究已经检查了与我们的类似基材，但在特定矿物和重金属的最终结果中观察到了明显的成分差异。可能影响这些差异的潜在变量包括基质组成、基质供应率、幼虫来源、幼虫年龄、不同阶段的龄期分析、实验设计和饲养条件。黑水虻幼虫越来越多地显示出它们作为各种动物物种的可行饲料成分的潜力。此外，通过补充维生素A和操纵幼虫饮食来提高营养价值的质量和可用性值得进一步研究。

我们已经证明，H. illucens 幼虫可以在典型的填埋有机废物上成功饲养。不仅在食物垃圾方面观察到了有趣的结果，而且在沼气沼渣和污水污泥方面也观察到了有趣的结果，这些结果被认为对后续处理有问题。所有经过测试的有机废物都促进了幼虫的生长，这可能对它们在废物管理层次结构方面的有效利用具有吸引力。就沼气沼渣而言，最终幼虫阶段的重金属浓度低于法定限值，在满足所有饲料要求后，可以将其用作牲畜的替代饲料。对于污染较严重的污水污泥，较高的重金属积累量（超过限值）并未显示分析参数的显著减少，但对于其他污染物或较高的量，结果可能会有所不同。尽管沼气沼渣和污水污泥有其自身的局限性，但 H. illucens 未来可能具有用于废物预防、生物柴油生产、内溶性基质或用作肥料的潜力。

文章来源：MDPI ；