利用黑水虻幼虫共饲策略强化牛粪生物转化并提升生物柴油生产的可持续性研究

为解决牛粪单独饲喂黑水虻幼虫（BSFL）生长缓慢、生物转化效率低的问题，研究人员开展牛粪与餐厨垃圾共饲策略研究。结果表明，M3:F7（牛粪:餐厨垃圾=3:7）混合饲喂可使幼虫干重提高4.6倍，脂质含量达42.6 wt.%，生物柴油生产率达141.6 mg·g-1waste，单位生物柴油CO2排放降低至4.1 g。该策略为畜禽粪污资源化与可再生能源生产提供了高效低碳路径。

　　

随着全球人口增长和饮食结构变化，畜牧业在提供动物蛋白的同时也带来了严峻的环境挑战。畜牧业贡献了14.5%的人为温室气体排放，其中畜禽粪便是重要的污染源之一，不仅产生大量CH₄和CO₂，还导致氮磷等养分流失和环境污染。传统的粪便处理方式如堆肥和厌氧消化虽能部分实现资源化，但仍存在CO₂排放高、处理效率低等问题。近年来，昆虫介导的粪污处理技术因其可持续性和高效性受到广泛关注，尤其是黑水虻幼虫（Black Soldier Fly Larvae, BSFL）能够将有机废弃物转化为高价值的蛋白质和脂质，同时显著减少废物体积。然而，牛粪作为BSFL饲料时存在营养不平衡、幼虫生长缓慢等问题，限制了其大规模应用。

为解决这一问题，韩国国立畜产科学院（National Institute of Animal Science, NIAS）的研究团队开展了一项研究，通过将牛粪与营养丰富的餐厨垃圾混合饲喂BSFL，显著提升了幼虫生长性能、脂质积累效率和生物柴油产量。相关研究成果发表在《Environmental Technology》上。

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.

   饲料制备与成分分析：牛粪和餐厨垃圾经干燥后按比例混合（M7:F3和M3:F7），采用索氏提取法测定脂质含量，元素分析仪测定蛋白质和氮含量，电感耦合等离子体光谱法测定无机物含量。

2. 2.

   BSFL饲养与生长监测：在控温控湿条件下饲养幼虫，定期取样测定干重，24天后分离幼虫和剩余饲料，分析生物量和成分变化。

3. 3.

   脂质提取与转化：采用热重分析（TG）和气相色谱-质谱联用（GC/MS）分析脂质提取物的成分和纯度，并通过非催化酯交换反应在380°C下将脂质转化为生物柴油。

4. 4.

   环境效益评估：通过碳平衡计算CO₂排放量，统计废物减量率和生物柴油生产率。

3.1. BSFL饲养与牛粪单独饲喂效果

牛粪中碳水化合物含量较高（73.91 wt.%），但脂质仅占1.19 wt.%。BSFL在纯牛粪饲喂下生长缓慢，21日龄时幼虫干重仅为1.1±0.2 mg，24日龄时略增至6.9±0.9 mg，表明牛粪营养不足限制了幼虫发育。

3.2. 共饲策略对BSFL生长和成分的影响

通过将牛粪与餐厨垃圾按M7:F3和M3:F7比例混合饲喂，BSFL生长显著改善。M3:F7组幼虫干重在24日龄时达到32.0±1.5 mg，较纯牛粪组提高4.6倍。脂质含量在M3:F7组达到42.6 wt.%，显著高于M7:F3组（19.7 wt.%）。餐厨垃圾的高脂质和蛋白质含量为BSFL提供了更均衡的营养，促进了幼虫生长和脂质积累。此外，M3:F7组的饲料减量率达到80.5%，高于M7:F3组的60.5%，表明高比例餐厨垃圾有助于提升废物处理效率。

3.3. 生物柴油生产与燃料特性

脂质提取物中存在游离脂肪酸、醛类和内酯等杂质，但通过非催化酯交换反应成功转化为生物柴油。M3:F7组的生物柴油产率为85.7±1.3 wt.%，生产率达到141.6±23.7 mg·g^-1_waste，较M7:F3组提高4.8倍。BSFL衍生生物柴油以月桂酸（C_12:0）为主，其燃料性质符合ASTM D6751和EN 14214标准（闪点除外），表明其具有实际应用潜力。

3.4. 环境效益分析

M3:F7饲喂系统单位生物柴油的CO₂排放为4.1±0.4 g，显著低于M7:F3系统的12.7±1.9 g。共饲策略通过提升幼虫生长和脂质积累效率，减少了碳呼吸损失，降低了整体碳足迹。

3.5. 脱脂BSFL生物质的利用潜力

脱脂BSFL生物质蛋白质含量丰富，可作为动物饲料替代品，进一步增强该技术的经济性和可持续性。但需注意重金属和抗生素残留问题，确保符合饲料安全标准。

本研究通过共饲策略有效解决了牛粪单独饲喂BSFL存在的生长缓慢和脂质积累不足问题，显著提升了生物柴油产量和废物处理效率。M3:F7混合比例在幼虫生长、脂质积累、生物柴油生产率和碳减排方面均表现最优，为畜禽粪污资源化和可再生能源生产提供了技术支撑。未来需进一步研究不同粪便和餐厨垃圾类型对共饲效果的影响，并开展技术经济评估以推动规模化应用。