昆虫粪便变废为宝：利用虫粪养殖微藻获取高价值生物质

本研究针对微藻培养成本高及昆虫养殖副产物资源化问题，探讨了以家蟋（Acheta domesticus）虫粪作为唯一营养源，培养小球藻（Chlorella vulgaris）、盐生微绿球藻（Nannochloropsis salina）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的可行性。结果表明，虫粪可支持微藻生长，但改变了其生化组成，导致蛋白质含量降低，脂肪酸谱更适于生物柴油而非富含PUFA的饲料，为废物资源化和微藻低成本培养提供了新思路。

　　

在全球面临粮食安全、能源需求和环境污染等多重挑战的背景下，寻找可持续的生产方式已成为科学研究的重要目标。其中，微藻培养和昆虫养殖作为两种具有潜力的策略，受到了广泛关注。微藻被认为是生产生物燃料、食品饲料添加剂、化妆品成分、肥料和生物刺激素以及用于生物修复的可持续原料。然而，微藻培养仍然成本高昂，且仅限于小规模生产。与此同时，昆虫养殖在欧洲及其他地区迅速扩张，作为食物和饲料的可持续蛋白质来源，但它也产生了大量的残留物，特别是虫粪（frass）——通常可达昆虫产量的三倍。虫粪是昆虫排泄物、基质残留物、角质层碎片和少量死虫的混合物，其再利用主要被探索作为肥料。为了降低微藻培养成本并整合循环经济原则，利用废物流作为替代营养源已成为一种趋势。

在此背景下，研究人员探索了利用昆虫养殖的副产品——虫粪，作为微藻培养的营养来源，以期实现“变废为宝”，降低微藻生产成本，并推动循环生物经济的发展。这项研究旨在定量评估家蟋（Acheta domesticus）虫粪作为淡水小球藻（Chlorella vulgaris）、海洋盐生微绿球藻（Nannochloropsis salina）和三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）的唯一营养源的效果，相关成果发表在《Bioresource Technology Reports》上。

为了评估虫粪作为微藻生长培养基的可行性，研究人员设计了一系列实验。他们首先分析了虫粪的化学成分，然后根据其氮含量（计算为6%），将其添加到去离子水（模拟淡水）或0.5 M NaCl溶液（模拟海水）中，制备虫粪-水培养基，其添加量等同于对照培养基（BG11用于淡水物种，AMCONA用于海洋物种）的氮供应量。研究在高压灭菌和非高压灭菌两种条件下进行。通过自动化分析仪和总反射X射线荧光光谱法对培养基的营养成分、pH值和透明度进行了表征。微藻在控制温度和光照的气候室中进行批次培养，并通过细胞计数器监测生长曲线，使用β函数模型计算最大生长速率（μ_max）和最终细胞密度（Nt_e）。收获的藻类生物质通过元素分析（稳定同位素δ¹³C和δ¹⁵N）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析生化组成（蛋白质、脂质、碳水化合物），并通过Lowry法量化蛋白质含量。总脂质采用Folch法提取并重量法定量，脂肪酸甲酯通过气相色谱-质谱联用进行分析。此外，还基于脂肪酸组成预测了潜在生物柴油的特性，如十六烷值（CN）和冷滤点（CFPP）。统计分析包括主成分分析（PCA）和学生t检验。

3.1. 微藻在虫粪-水培养基中的生长

研究人员首先在未高压灭菌的虫粪-水培养基中培养了三种微藻。培养基分析显示，无机氮主要以氨的形式存在，浓度低于已知对测试藻类的毒性阈值。磷含量充足，但铁含量显著低于对照培养基。此外，检测到痕量的重金属（铬、砷、铅），但其浓度远低于大多数微藻的半抑制浓度（IC₅₀）。淡水虫粪培养基的pH值较低，水透明度较差，可能影响光利用。

生长结果表明：（1）三角褐指藻（P. tricornutum）在驯化阶段后未能存活，可能与硅的生物可利用性低或其他营养失衡有关。（2）小球藻（C. vulgaris）在虫粪培养基中达到了与对照相似的最大生长速率（μ_max 为 0.62 d^-1）和最终细胞密度（1.1 × 10⁷ cells·mL^-1）。（3）盐生微绿球藻（N. salina）达到了与对照相似的最终细胞密度（6.5 × 10⁶ cells·mL^-1），但生长速率降低了约50%。这表明虫粪支持微藻生长，但效果因物种而异，且对淡水物种小球藻更为有利。

3.2. 微藻在高压灭菌虫粪-水培养基中的生长

由于未灭菌培养基出现原生生物污染，后续实验采用了高压灭菌的虫粪-水培养基。灭菌后，培养基中铵的可用性降低，pH值进一步下降，这可能影响了营养的可利用性和藻类的生理状态。

生长结果表明，高压灭菌后，两种藻（C. vulgaris 和 N. salina）的最大生物量产量比未灭菌培养物降低了30-40%，尽管生长速率保持相似。这表明高压灭菌过程可能降解或改变了某些关键营养物质，从而限制了生物量的积累。

对高压灭菌条件下培养的藻类生物质进行详细分析发现：（1）碳氮稳定同位素分析表明，两种藻类均发生了混合营养代谢，利用了虫粪来源的有机碳和氮，但碳同位素分馏方向因物种而异。（2）FTIR光谱和PCA分析显示，与对照相比，在虫粪中生长的藻类生物质其蛋白质含量显著降低，碳水化合物相对含量增加，而脂质含量没有显著变化。（3）脂肪酸谱分析揭示，在虫粪培养基中生长的两种藻类，其饱和脂肪酸（SFA），特别是棕榈酸（16:0）和硬脂酸（18:0）的含量显著增加，而多不饱和脂肪酸（PUFA），尤其是亚油酸（18:2n-6）和α-亚麻酸（18:3n-3）的含量显著降低。虽然小球藻中二十二碳六烯酸（DHA，22:6n-3）含量有所增加，但总PUFA含量仍低于对照。

3.3. 衍生生物质的潜在用途——迈向循环方法

生化组成的改变直接影响了下游应用的潜力。碳水化合物含量的增加使得该生物质更适合作为农业中的生物刺激素或土壤改良剂。然而，脂质组成的变化（SFA增加，PUFA减少）使其作为水产养殖或动物饲料的价值降低，因为PUFA对动物生长和健康至关重要。相反，较高的SFA和较低的PUFA含量有利于生物柴油的氧化稳定性和十六烷值（CN）。预测模型显示，虫粪培养的藻类生物柴油的CN值（小球藻约58，盐生微绿球藻约60）高于对照，满足生物柴油标准，但其冷滤点（CFPP）也显著升高（小球藻约25°C，盐生微绿球藻约35°C），表明在寒冷气候下的低温流动性较差。因此，虫粪衍生的藻类生物质更适用于温暖地区的生物柴油生产或需要与其他燃料混合/添加流动改进剂。研究还指出，需要对最终生物质进行重金属和微生物安全性评估，以确保其在下游应用中的安全。

本研究得出结论，昆虫虫粪作为一种废物资源，能够成功支持特定微藻（特别是淡水小球藻）的生长，实现营养物质的循环利用。然而，培养条件（如是否灭菌）显著影响藻类的生长表现和生物质组成。虫粪培养基诱导了藻类代谢的转变，导致生物质更富含碳水化合物，且脂质特征更适于生物柴油生产而非高价值饲料。这为昆虫养殖副产物的资源化利用和降低微藻培养成本提供了可行的技术路径，符合循环生物经济的理念。未来的研究可专注于优化虫粪预处理方法以提高营养释放效率，并系统评估衍生生物质在农业和能源领域的实际应用效果与安全性。