黑水虻双路径转化有机废弃物：闭环水产养殖中饲料效率、作物品质与气候减缓的协同增效

《Waste Management》：Dual-Path valorization of organic waste via black soldier fly: Synergistic enhancement of feed efficiency, crop quality, and climate mitigation in closed-loop aquaculture

本研究针对水产养殖产生的高含水率有机废弃物（如鳗鱼粪便）处理难题，创新性地利用黑水虻(BSF)幼虫协同转化水产废弃物与农业残渣（金针菇菌渣），实现了92.6%的废弃物利用率。研究不仅获得了富含粗蛋白(17.9%)和月桂酸(8.03%)的BSF幼虫生物质，作为肉鸡饲料1.0%添加量可显著提升饲料效率2.6%和42日龄体重7.5%；其虫粪堆肥后更成为优质有机肥，能降低NH3排放34%，增加总氮保留15.3%，并显著提升番茄产量(12.1%)和果实品质（维生素C+18.6%，可溶性糖+20%）。该闭环策略为同时解决废弃物管理、饲料安全与可持续作物生产提供了可扩展的范例。

　　

随着全球人口预计在2050年接近100亿，对动物蛋白的需求急剧增长，水产养殖业作为增长最快的食品生产部门之一，正面临巨大的扩张压力。然而，这种快速扩张也带来了严峻的废弃物管理挑战，特别是像鳗鱼养殖这类产业，会产生大量高含水率的有机废弃物（如粪便）。中国作为全球最大的鳗鱼生产国，年产量约30万吨，每年产生的鳗鱼粪便至少50万吨。这类废弃物含水量高（通常>70%），成分复杂，含有未消化的饲料、粘液和蛋白质，传统处理方法如堆肥或焚烧成本高昂且易产生渗滤液和温室气体，其资源潜力长期被忽视。

面对这一难题，寻找一种高效、可持续的废弃物处置与资源化方案迫在眉睫。黑水虻（Black Soldier Fly, Hermetia illucens, BSF）幼虫的出现带来了曙光。这种昆虫能够处理多种有机废弃物，将其转化为两种有价值的产品：营养丰富的虫粪（适合作为有机肥料）和富含蛋白质的幼虫生物质（可作为鱼粉和豆粕的替代品）。然而，尽管BSF技术前景广阔，其在处理具有极端特性（如高含水率、复杂有机物组成）的水产养殖废弃物方面的效能，特别是针对鳗鱼粪便的应用，仍存在显著的知识空白。其转化效率、所得幼虫的营养价值、虫粪的农用价值以及转化过程中的微生物动态，均是亟待探索的关键问题。

为此，发表在《Waste Management》上的研究《Dual-Path valorization of organic waste via black soldier fly: Synergistic enhancement of feed efficiency, crop quality, and climate mitigation in closed-loop aquaculture》进行了一项创新性研究。Longjun Chen、Yu Lin等研究人员旨在评估BSF技术在处理鳗鱼粪便方面的潜力，并构建一个完整的闭环资源回收系统。他们的研究主要围绕以下几个核心问题展开：BSF幼虫能否有效转化鳗鱼粪便？转化后的幼虫营养价值如何，能否作为优质饲料？其虫粪堆肥后的肥料品质和养分有效性怎样？整个生物转化过程中的微生物群落是如何演替并驱动养分转化的？

为了回答这些问题，研究人员开展了一系列实验。关键技术方法包括：收集新鲜鳗鱼粪便并与金针菇（Flammulina velutipes）菌渣按比例混合作为BSF幼虫的饲养基质；在受控条件下进行BSF的生物转化过程，并分析幼虫生物质的营养成分（粗蛋白、粗脂肪、脂肪酸、氨基酸组成等）；进行肉鸡饲养试验，评估BSF幼虫粉对生长性能（平均日增重ADG、平均日采食量ADFI、料重比F/G）的影响；将BSF虫粪与废弃物混合进行堆肥试验，监测堆肥过程中的理化性质（pH、总氮TN、总磷TP、总钾TK、铵态氮NH₄⁺-N、硝态氮NO₃^--N）和氨气(NH₃)排放通量；运用16S rRNA基因测序技术分析堆肥过程中微生物群落的动态变化；最后，通过番茄田间栽培试验，评估BSF虫粪堆肥对作物产量和果实品质（维生素C、可溶性固形物、总酸、可溶性糖等）的影响。

3.1. Nutritional value of BSF and its effect on broiler performance

研究人员首先分析了以鳗鱼粪便和金针菇菌渣为食的BSF幼虫的营养价值。结果表明，幼虫富含粗蛋白(17.9%)和粗脂肪(8.8%)。其脂肪酸组成尤为突出，月桂酸(C12:0)含量高达8.03%，此外还含有丰富的棕榈酸(C16:0)、油酸(C18:1n9c)和亚油酸(C18:2n6c)。氨基酸分析显示含有18种蛋白质氨基酸，必需氨基酸占比达52.3%。在肉鸡饲养试验中，添加1.0% BSF幼虫粉的日粮显著改善了肉鸡的生长性能：在1-21日龄阶段，平均日采食量(ADFI)和平均日增重(ADG)分别提高了5.4%和7.1%，料重比(F/G)改善了2.6%；在整个1-42日龄试验期，平均日增重提高了6.3%，料重比改善了2.6%，42日龄平均体重显著高于对照组。这表明源自鳗鱼粪便的BSF幼虫是一种可行的鱼粉替代品，能有效提升饲料效率。

3.2. Compost quality

对BSF虫粪堆肥品质的分析揭示了其作为优质有机肥的巨大潜力。与对照组(CK)相比，添加了BSF虫粪的处理组(T1和T2)在整个28天的堆肥过程中维持了较低的pH值，这有效减少了氨挥发，从而保留了更多的氮素。T1和T2处理在堆肥前14天总氮(TN)没有下降，而对照组则出现快速流失。处理组还表现出对磷(P₂O₅)和钾(K₂O）的显著富集作用，最终含量分别达到7.05%和2.76%。在氮素形态转化方面，T1和T2处理在堆肥早期（7-14天）保持了较高的NH₄⁺-N浓度，同时抑制了早期的硝化作用（NO₃^--N生成较少），到了堆肥后期才出现NO₃^--N的积累，这种延迟的硝化作用有利于氮素的保存。最关键的环境效益体现在NH₃排放上，T1和T2处理显著降低了NH₃排放通量，累积排放量比对照组减少了34%。相关性分析证实NH₃排放与堆体pH和NH₄⁺-N浓度呈正相关，与TN和NO₃^--N呈负相关。

3.3. Microbial community dynamics

微生物群落分析揭示了BSF虫粪介入如何驱动堆肥过程的微观机制。未经处理的鳗鱼粪便初始微生物以Proteobacteria（变形菌门）和Firmicutes（厚壁菌门）为主。接种BSF虫粪后，微生物群落发生了显著演替，Bacteroidota（拟杆菌门）和Actinobacteria（放线菌门）的相对丰度增加，而一些与反硝化相关的菌门（如Bdellovibrionota, Myxococcota)受到抑制。在属水平上，鉴定出15个核心功能菌属，包括具有固氮和解磷功能的Azoarcus（固氮弓菌属）和Roseisolibacter等。线性判别分析（LDA）显示，Azoarcus在T1/T2处理的堆肥后期被显著富集（LDA > 2.5）。这些功能微生物的协同作用，驱动了有机物的降解、氮素的固定和磷素的溶解，是堆肥品质改善的内在驱动力。BSF虫粪的“接种效应”引入了特定的功能微生物，优化了堆肥的微生物网络，使其更有利于养分的保留和转化。

3.4. Effect of BSF frass composts on production and quality of tomato

最终的田间应用试验验证了BSF虫粪堆肥的实际农用价值。施用T2处理（60%鳗鱼粪便+40%金针菇菌渣，含BSF虫粪）堆肥的番茄产量最高，达到6183±25 kg，比对照组显著提高了12.1%。更重要的是，番茄的品质得到了全面改善：蛋白质含量、维生素C含量、可溶性固形物含量和可溶性糖含量均显著高于对照组，其中维生素C增加了18.6%，可溶性糖增加了20%。这表明BSF虫粪堆肥不仅能增产，还能显著提升农产品的营养价值和风味口感。

该研究的结论部分系统地总结了这一闭环生物策略的多重效益。BSF幼虫成功地将难处理的水产养殖废弃物转化为高价值的饲料原料和优质有机肥。幼虫生物质作为饲料添加剂表现出色，其独特的脂肪酸谱（特别是高月桂酸含量）可能是改善肉鸡生长性能的关键因素之一。虫粪堆肥过程通过pH调节、几丁质-NH₄⁺络合以及功能微生物（如Azoarcus, LDA > 2.5）的富集，实现了氮磷钾养分的协同增效和NH₃排放的大幅削减（34%）。最终的番茄田间试验证实了该堆肥在提升产量和品质方面的卓越效果。

这项研究的意义重大且深远。它首次系统地验证了利用黑水虻技术协同处理鳗鱼粪便和金针菇菌渣的可行性与高效性，填补了BSF应用于高含水率水产废弃物领域的知识空白。该研究建立了一个可扩展的“废弃物-饲料-肥料-作物”闭环资源化范式，为水产养殖业的可持续发展提供了新的思路。通过将废弃物转化为饲料和肥料，该模式减少了对海洋鱼粉和化学肥料的依赖，降低了环境污染和温室气体排放，同时提升了农产品价值，实现了环境效益和经济效益的双赢。这项成果不仅为解决水产养殖废弃物管理难题提供了具体的技术方案，也为推动循环农业和实现食物系统的可持续集约化发展做出了重要贡献。