Spirodela polyrhiza和Lemna minor在污水植物修复及黑水虻幼虫饲养原料生产中的双重应用：一种新型的生物循环系统

《Chemosphere》：Dual application of Spirodela polyrhiza and Lemna minor in sewage phytoremediation and feedstock production for black-soldier fly larvae cultivation: A novel bio-circular system

通过浮萍（S. polyrhiza和L. minor）处理城市污水并评估其生物质作为黑水虻饲料及堆肥的潜力，研究提出了一种可持续的废水处理与资源回收方案。浮萍显著去除氮磷等污染物（最高去除率81.50%），生物质产量达128.15±0.77 g/m2/天（S. polyrhiza），含高蛋白（24.63%-28.47%）和淀粉（13.46%-17.21%）。30%浮萍与食物废物混合培养黑水虻，转化率及幼虫生长最佳。堆肥后水虻粪便种子发芽指数提升至70%以上，含氮磷钾等营养元素，适用于种植基质。该方案实现废水净化与生物质资源化，助力循环经济和可持续发展目标。

　　这项研究探讨了一种集成且可持续的方法，用于利用水葫芦（DW）物种 *Spirodela polyrhiza*（*S. polyrhiza*）和 *Lemna minor*（*L. minor*）进行城市污水的植物修复，同时评估了收获的水葫芦生物质作为黑水虻幼虫（BSFL）培养的原料潜力。研究结果表明，水葫芦在污水修复过程中对硝酸盐氮（NO??-N）、氨氮（NH??-N）、磷酸盐（PO?3?）、硫酸盐（SO?2?）以及化学需氧量（COD）的去除效率分别达到73.57–81.50%、42.13–63.89%、70.33–74.44%、57.01–63.32%和75.17–77.87%，这表明此类浮水系统在污水处理方面具有良好的适用性。水葫芦的生物质产量在植物修复系统中表现突出，*S. polyrhiza*的产量为128.15 ± 0.77克鲜重/平方米/天，而*L. minor*的产量为73.26 ± 0.85克鲜重/平方米/天。生化分析结果显示，收获的水葫芦生物质在干重基础上，总碳水化合物、粗蛋白、脂类和淀粉的含量分别增加了13.68%–19.80%、24.63%–28.47%、17.13%–20.71%和13.46%–17.21%，突显了其作为黑水虻幼虫培养原料的潜力。然而，单独使用水葫芦作为黑水虻幼虫的饲料可能并不实际，但当与食物垃圾（FW）混合时，能够取得令人满意的成果。因此，研究将水葫芦与食物垃圾按不同比例（30%、50%、70%和100%）混合，并观察到在含有30%水葫芦的混合物中，黑水虻幼虫的饲料转化率、生物转化率以及幼虫生长表现尤为优异。此外，黑水虻幼虫的粪便（frass）也被分析用于作为肥料，但发现其种子发芽指数（GI）较低（10.50–42.60%），表明其不适合作为肥料。为了解决这一问题，研究对粪便进行了28天的有氧堆肥处理，显著提高了发芽指数（超过70%），并丰富了肥料中的土壤养分（氮、磷和钾），从而确认了其作为植物种植介质的潜力。综上所述，集成污水处理与植物生物质利用的黑水虻幼虫培养方法，提供了一种低成本、可持续的解决方案，用于应对水污染和水葫芦清除问题，同时通过蛋白质丰富的动物饲料和生物肥料的生产实现资源回收。

水葫芦作为水生植物，因其广泛的分布、易于适应新环境、短生命周期、高生物质产量以及适合在多种废水中培养的特性，成为植物修复研究中被广泛使用的一类植物（Verma and Suthar, 2015a）。这些植物通常被用于二级或三级处理（高级处理）以及废水净化，尤其是在去除金属离子和营养物质方面表现出色（Adhikari et al., 2015; Kubota et al., 2024; Toyama et al., 2018）。水葫芦是自由漂浮的小型水生植物，属于水生植物科，以其在温带气候中的高产性而闻名。此外，水葫芦可以在6至33摄氏度的温度范围内生长，且能在pH值5.5至8.5的高营养浓度环境中存活（Ceschin et al., 2020）。多种水葫芦物种，如*L. minor*、*Lemna gibba*（*L. gibba*）和*S. polyrhiza*，已被广泛研究用于废水处理和水体营养物质回收，作为富含能量的生物质（Ceschin et al., 2020; Parihar et al., 2022; Pawaiya et al., 2025）。迄今为止，研究人员已经展示了水葫芦在实验室和现场规模污水处理系统中的应用潜力。例如，Toyama等人（2018）发现，在厌氧消化的猪场废水中培养*S. polyrhiza*，能够显著降低总溶解无机氮，同时水葫芦的生物质产量为52.6–70.3毫克鲜重/升/天，这种生物质可以用于其他工业用途，如动物饲料和生物能源的生产。另一项研究由Verma和Suthar（2014）指出，*L. gibba*在家庭污水处理中的作用至关重要，揭示了硝酸盐氮（NO??-N）和硫酸盐（SO?2?）的去除效率分别达到42–64%和35–82%。Adhikari等人（2015）报告称，在表面流处理系统中，水葫芦能够显著去除化学需氧量（COD）高达81%，强调了水葫芦介导的植物修复机制在有机负荷去除中的重要作用。Zhou等人（2018）观察到，在厌氧处理的猪场废水中，通过水葫芦池系统，经过25天的水葫芦接种，能够显著去除氨氮（NH??-N）和总磷，去除效率分别达到84%和98%。Ceschin等人（2019）也记录了水葫芦在人工湿地（CW）系统中用于废水营养物质去除的重要性。在包含水葫芦的人工湿地中，有机和无机营养物质的减少是通过生物累积和过滤过程实现的，而水葫芦的根区系统在可溶性营养物质的生物累积以及有机物质的氧化方面发挥着关键作用，这主要依赖于生物膜辅助的微生物群落通过共代谢过程完成（Parihar et al., 2022）。同样，Kadir等人（2020）强调了*Azolla pinnata*和*L. minor*在棕榈油厂废水处理中的应用潜力，实现了对COD的去除效率超过66%，以及对氨氮和磷的去除效率超过86%。文献表明，水葫芦可以作为设计低成本、易于操作且环境友好的污水处理过程的合适工具，用于现场处理各种类型的废水。

研究表明，水葫芦物种不仅被用于污水处理，还被用于营养物质的回收，以形成生物质。这是因为它们表现出快速繁殖和高蛋白含量的特性（Caicedo et al., 2000）。水葫芦的实用性进一步得到支持，因其高蛋白和低纤维含量。然而，为了最大化其利用并实现最大的效益，水生杂草还可以进一步用于生产不同的生物燃料，考虑到它们在蛋白质、碳水化合物和脂类方面的丰富组成（Parihar et al., 2022; Pawaiya et al., 2025）。此外，这些杂草含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，这些成分可以转化为生物燃料。木质素和糖分是杂草生物质的重要组成部分。木质素可以通过热化学方法转化为生物油、可燃气体和热能，而糖分则可以通过直接发酵产生生物乙醇。此外，还有潜力生产其他酒精化合物，如生物丁醇和生物甲醇（Ge et al., 2012; Toyama et al., 2018）。此外，这些杂草还含有脂类，其表面覆盖着由修饰脂肪酸构成的蜡质层。这些脂类可以通过酯交换过程转化为生物柴油（Gusain and Suthar, 2017）。除了这些，这些杂草还可以通过厌氧消化生产生物沼气，以及通过生物过程生产生物氢气（Gaur and Suthar, 2017; Mu et al., 2020）。利用水生生物质生产生物质原料可以被视为解决两个挑战的方法：低成本的污水处理和各种工业应用的原料生产。然而，这需要进行彻底的评估、优化和应对可能产生的问题，例如毒素可能改变最终产物。

黑水虻幼虫被广泛研究用于将有机废物转化为粪便和富含蛋白质和脂类的幼虫生物质，这些产物可能适用于动物饲料（Mishra and Suthar, 2025b）。黑水虻幼虫被视为有机残留物的贪婪食者，在短暂的进食期内，能够将废物材料转化为可吸收的营养物质（如脂类、糖类和蛋白质等），并将剩余物转化为富含植物营养的肥料（Tepper et al., 2024）。在整个过程中，幼虫显著增重，并将大量蛋白质和脂类吸收到其身体质量中，这些可以作为动物养殖的活体或死体饲料（Cullere et al., 2018; Ipema et al., 2021）。此外，黑水虻幼虫培养所得的营养饲料的价值受到其培养过程中所供给饲料种类的影响（Mishra and Suthar, 2025a）。传统上，各种有机废物材料，如食物垃圾、餐厅残渣、动物粪便和植物残渣，已被广泛测试用于通过黑水虻幼虫进行生物转化过程（Manurung et al., 2016; Mishra and Suthar, 2023, 2025a; Muin et al., 2022; Parodi et al., 2021）。值得注意的是，为了获得富含营养的幼虫生物质，黑水虻幼虫培养的原料管理至关重要。因此，水葫芦，一种富含蛋白质和淀粉的材料，可以作为低成本黑水虻幼虫培养的宝贵资源。据作者所知，之前的研究很少探讨利用水葫芦（作为污水处理系统的副产品）进行黑水虻幼虫技术下的增值生物质生产用于动物饲料。

这项研究具有重要的现实应用价值，因为它提出了一个集成且可持续的方法，用于解决两个主要的环境问题：污水处理和固体废弃物管理。在污水中培养水葫芦提供了一种低成本且环保的技术，用于去除污染物，而富含营养的水葫芦生物质则可以作为动物养殖的原料，减少对昂贵传统饲料的依赖。将水葫芦与食物垃圾结合，可以提高废弃物的利用价值，并产生支持可持续农业的优质堆肥。这项研究可以代表向循环经济迈进的一步，通过创新的低成本方法处理污水，同时生产高质量的动物饲料。

因此，本研究旨在采用可持续的方法处理城市污水，利用*S. polyrhiza*和*L. minor*，并研究收获的杂草生物质作为黑水虻幼虫培养原料的潜力。这包括在富含营养的污水中培养*S. polyrhiza*和*L. minor*，以获得高质量的生物质原料用于黑水虻幼虫培养。本研究设计的示意图如图1所示。此外，本研究的目标如下：1）评估*S. polyrhiza*和*L. minor*在污水植物修复中的潜力，并检查其在污水中的生长和生物质情况；2）评估水葫芦生物质的生化特性和产量；3）评估水葫芦生物质作为黑水虻幼虫培养原料的可行性；4）分析黑水虻幼虫培养后的剩余生物质（粪便）作为植物应用的肥料潜力。本研究获得的结果将为更好地理解管理污水资源的最经济策略，以及在可持续发展目标（SDGs）框架下为农村农业系统实现最大效益提供见解。