底物含水量对黑水虻幼虫在猪粪处理过程中的生理发育、性能及肠道微生物群的影响

《Waste Management》：Effects of substrate moisture content on physiological development, performance, and gut microbiome of black soldier fly larvae during swine waste treatment

　　

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  基质水分影响黑水虻肠道微生物组、酶活性和生长。
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  65% 的水分含量使蛋白质含量（干物质基计40.8%）和营养成分最高。
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  75% 的水分含量下，幼虫蛋白酶活性最高（110.95 U/mg 蛋白质）。
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  65% 的水分含量有利于分解性微生物群落的发展，而较高的水分含量则有利于发酵性微生物群落。

引言

养猪业仍然是畜牧业中最重要的经济活动之一，为人类提供动物蛋白（Matiz-Villamil 等，2023）。2024年全球猪肉产量约为 1.165 亿公吨（USDA，2026）。虽然集约化养猪可以提高农场盈利能力，但也会产生含有大量有机物、营养物质、病原体和多样化微生物群落的粪便（Izmaylov 等，2022；Li 等，2020）。不良的粪便管理会导致营养物质渗入水体，引发有害藻类爆发、富营养化、氧气耗尽、水体生态系统退化以及由病原体引起的公共卫生风险（Quist 等，2022；Zhang 等，2025）。这突显了需要有效的粪便管理策略。传统的粪便处理技术主要依赖于储存和生物分解（Varma 等，2021）。这些方法包括厌氧池、浆料池和储存罐（Varma 等，2021）。这些系统通过微生物分解减少有机物（Denisi 等，2021）；然而，它们也会产生温室气体（如甲烷）和氨气，并不能显著降低其他污染物负荷。现有技术的局限性表明，需要一种被动、经济、有效且环保的粪便处理方式。

一种有前景的粪便处理方法是利用昆虫，特别是黑水虻（Hermetia illucens）（Singh 和 Kumari，2019）。黑水虻幼虫是腐食性的，自然会消耗分解中的有机物（?i?ková 等，2015）。黑水虻可以将有机废物转化为昆虫生物质和残余粪便。在此过程中，幼虫消耗并减少废物中的有机成分，同时在其生物质中积累大量蛋白质和脂质。因此，捕获的幼虫可以成为富含营养的动物饲料来源（Lomonaco 等，2024），同时处理过程可以减少废物体积和病原体负荷，支持循环生物经济系统（Liu 等，2022）。黑水虻分解有机废物的效率取决于其肠道中的消化过程和基质中的微生物相互作用（Lin 和 Shelomi，2024；Yu 等，2023）。先前的研究表明，黑水虻分泌多种消化酶，将这些复杂有机化合物分解为易于吸收和利用的简单分子（Intayung 等，2021；Kim 等，2011）。其中，蛋白酶和淀粉酶（分别分解蛋白质和碳水化合物）至关重要（Kim 等，2011）。这些酶直接影响养分吸收、幼虫生长和整体废物转化效率（Chen 等，2023）。除了宿主来源的酶外，幼虫肠道微生物组也在分解有机物质方面发挥重要作用（Xiang 等，2024；Yu 等，2023）。肠道内的微生物群落产生额外的酶和代谢途径，增强幼虫的消化能力（Lin 和 Shelomi，2024）。先前的研究表明，黑水虻的肠道微生物组包含能够进行发酵代谢和分解复杂有机基质的菌群（Chen 等，2023）。此外，肠道微生物组还能产生与黑水虻内源性消化酶协同作用的酶（Zhang 等，2024b）。这些研究表明了肠道微生物组的功能重要性。

多种生物和环境因素影响黑水虻的肠道微生物组。这些因素包括基质组成、环境条件（如温度、湿度和氧气供应）、幼虫密度、喂食率以及微生物群落（Chen 等，2023；De Smet 等，2018）。其中，基质水分含量是最重要的因素之一。它影响基质的物理环境、性质和生物过程，从而影响有机废物的结构、氧气扩散以及参与分解的微生物群落的活性（Bekker 等，2021；Wang 等，2024）。如果基质过于干燥，微生物活动和幼虫的喂食可能会受到限制，因为营养物质难以获取。相反，过多的水分会减少氧气供应，导致厌氧条件，抑制好氧分解。黑水虻能耐受相对较宽的水分范围，通常为 60–90%，尽管最佳条件可能因基质和实验设计而异（Bekker 等，2021；Dzepe 等，2020）。

尽管水分起着关键作用，但只有少数研究系统地探讨了水分变化如何影响黑水虻的消化酶活性和肠道微生物组。一些研究关注使用黑水虻处理粪便，重点是幼虫生长、废物减少、资源回收以及环境和微生物学结果，而非环境条件与幼虫生理和微生物反应之间的机制。例如，先前的研究考察了黑水虻的生长、生物质产生、粪便减少和生物转化效率（Choi，2024；Veldkamp 等，2021；Wu 等，2024），以及它们减少甲烷和挥发性化合物排放的潜力（Beskin 等，2018；Matos 等，2021）。其他研究探讨了黑水虻处理减少病原细菌的能力（Awasthi 等，2020；Elhag 等，2022）、幼虫密度对粪便转化的影响（Shen 等，2024），以及重金属的命运，包括其在粪便生物转化过程中的迁移、转化、生物可利用性和生物累积（Deng 等，2024；Jiang 等，2022）。较少有研究关注黑水虻的肠道微生物组及其相关的生理反应。Hao 等（2023）研究了粪便消毒对黑水虻生长、粪便减少和肠道微生物组的影响。Zhang 等（2024a）研究了黑水虻对不同喂食基质的转录组和代谢组反应，Li 等（2025）研究了黑水虻粪便与新鲜和储存猪粪共同堆肥过程中的微生物过程，而 Awasthi 等（2020）研究了黑水虻改良粪便和污水污泥后病原菌丰度和群落组成的变化。Wu 等（2021）进一步研究了猪粪便转化过程中金属形态、病原菌丰度和黑水虻肠道微生物组的变化，包括与金属耐受性相关的微生物功能基因的变化。

最近，Wang 等（2024）研究了基质水分含量对黑水虻生长、废物转化效率和肠道微生物组的影响，表明水分条件可以影响幼虫的表现和肠道微生物组的组成。然而，他们的研究并未探讨这些由水分引起的肠道微生物组变化与消化酶活性之间的关系。水分含量、肠道微生物组动态和酶介导的养分转化之间的综合关系仍不甚清楚。揭示这一机制有助于将基于黑水虻的废物处理从经验优化阶段推进到更可预测、可扩展的应用。

为填补这一知识空白，本研究的总体目标是确定不同基质水分含量如何影响黑水虻的肠道微生物组，并确定与改进粪便处理相关的关键代谢途径。具体研究目标是：a.) 确定基质水分含量对幼虫生长参数、酶活性、有机物和废物处理过程中养分减少的影响；b.) 描述不同水分含量水平下的微生物演替和驱动因素；c.) 识别可能与黑水虻处理相关的生物过程有关的微生物群落和模式。本研究的结果可能有助于提高基于黑水虻的系统的性能和可扩展性，特别是用于处理农业废物（如猪粪）。

章节片段

黑水虻幼虫和猪粪便的来源

实验中使用的黑水虻幼虫来自 Phoenix Worms^TM（ISR，美国乔治亚州）。幼虫长度约为 5 毫米（0.125 英寸）。收到后，幼虫在实验处理前进行了 2 天的适应期。我们通过称量 15 只幼虫的重量来确定初始个体重量，平均重量为每只幼虫 5.64 ± 0.07 毫克。幼虫被放置在有机培养基中，并在肠道为空的条件下运输。新鲜的育肥猪粪来自 Haven

幼虫生长

实验结束时，在 65% 水分含量下饲养的幼虫平均个体重量最高（每只幼虫 73.7 毫克），而 75%（每只幼虫 63.5 毫克）和 85%（每只幼虫 45.7 毫克）下的幼虫重量较低（图 2）。然而，这些差异没有统计学意义（p = 0.636）。这可能是由于黑水虻能够适应基质水分的变化（Bekker 等，2021）。此外，还有多个相互作用的因素（包括养分可用性）

结论

水分含量影响黑水虻处理粪便过程中的处理效果、酶活性和微生物群落组成。65% 的水分含量下，有机物质和养分减少最多，且幼虫蛋白质含量也最高。然而，测量到的个别酶的最高活性并未出现在 65% 的水分含量下；蛋白酶活性在 75% 时最高，而α-淀粉酶活性在

CRediT 作者贡献声明

Chimdi Muoghalu：撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、数据整理、概念化。Zhihan Sun：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法学、研究、数据分析、数据整理、概念化。Jiahuo Guo：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学、研究、数据分析、数据整理。Herbert Cirrus Kaboggoza：撰写 – 审稿与编辑、可视化

资助

本工作得到了北卡罗来纳生物技术中心（NCBIOTECH）（资助编号 2023-FLG-0011）的支持。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Musa Manga 报告称获得了北卡罗来纳生物技术中心的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

Chimdi Muoghalu|Zhihan Sun|Jiahuo Guo|Herbert Cirrus Kaboggoza|Ibrahim Lubwama|Musa Manga