《Biomass and Bioenergy》：Combinatorial flora C1 enhances urea utilization and bioconversion efficiency in black soldier fly larvae
编辑推荐：
黑水虻幼虫在尿素添加下通过组合菌群C1显著提升基质转化率（+3.73%）和氨基酸含量（+8.85%），同时缩短生长周期，为昆虫蛋白产业提供新策略。
作者：邵丹、秦超伟、牛永清、欧雅妮、张振宇、李青、戴梦红
华中农业大学可持续养猪合作创新中心，中国武汉，430070
摘要
随着人口增长和环境问题的日益严重，粮食生产的不足已成为一个日益严峻的挑战。近年来，黑水虻幼虫（BSFL）因其高效的生物转化能力而成为饲料行业中备受关注的可持续蛋白质来源。本研究以营养缺乏的稻壳作为基础底物，尿素作为外加氮源，通过选择性培养基从4天大的黑水虻幼虫肠道中筛选出具有多氮源利用能力的7种功能性细菌菌株。在无菌黑水虻模型和细菌拮抗实验验证后，构建了一种组合菌群C1（Neobacillus bataviensis + Bacillus paramycoides + Klebsiella oxytoca），并将其应用于实际的黑水虻养殖系统中。与未接种的对照组相比，C1组显著提高了底物转化率3.73%（从42.34%提高到46.07%），总氨基酸含量提高了8.85%（从31.23%提高到40.08%）（P < 0.05），同时缩短了幼虫生长周期且未对存活率产生不利影响。这些发现证实了C1组增强了黑水虻对尿素的利用和生物转化效率，从而提高了黑水虻养殖的经济效益，并为昆虫蛋白产业的可持续发展提供了一种新的微生物调控策略。
引言
预计到2050年全球人口将达到90亿，对农业生产的需求将随之增加[1]。极端天气条件的影响使得养活世界人口的农业生产成为一项艰巨的任务[2]。因此，人们开始探索昆虫、海藻和培养肉等未来食品选项以解决食物短缺问题[3]。其中，黑水虻幼虫（BSFL，双翅目：Stratiomyidae，Hermetia illucens L.）是一种极具价值的资源昆虫。随着全球蛋白质资源短缺的加剧，黑水虻由于其高效的有机废物转化能力和高价值生物质生成能力，逐渐成为可持续农业和循环经济的研究核心[3]。黑水虻是蛋白质、脂类、几丁质和维生素的良好来源。由于其高营养价值，它们被广泛用于动物饲料生产中，有助于补充动物饮食中的营养成分，改善动物健康，促进生长或增强营养组成[4]。目前，黑水虻已被用于喂养各种动物，如猪[5]、家禽[6]和鱼类[7]，同时也有研究探讨其作为宠物食品成分的潜力[8]。
氮是所有生物生长和发育不可或缺的营养素，在维持可持续农业系统中起着至关重要的作用[9]。黑水虻能够有效吸收有机废物中的碳和氮，并将其生物转化为有价值的生物量，如蛋白质和脂类[10]。在这个生物转化过程中，保持最佳的碳氮（C/N）比例（通常在9:1到15:1之间）对于高效的底物降解至关重要[11,12]。为了实现这一最佳营养平衡，尿素是一种理想的氮补充剂[13]。研究表明，无机氮源（例如NH4Cl、NaNO3）对黑水虻具有严重的毒性，会显著降低幼虫存活率[13]。相比之下，尿素是动物粪便中自然存在的氮源，与黑水虻的自然摄食和代谢特性相匹配。此外，与复杂的有机氮源（如氨基酸、豆粕、鱼粉）相比，尿素具有最高的氮含量（约46.7%）和最低的碳含量[14],[15],[16],[17]。这一独特的化学特性使得只需少量尿素即可精确调整底物的C/N比例，从而最大限度地减少过量碳输入的影响。结合其低成本生产、良好的水溶性和全球可用性，尿素为工业化规模的黑水虻养殖提供了非常实用和经济可行的解决方案。然而，尽管尿素是理想的外加氮源，但其有效吸收受到宿主生理限制的制约。昆虫缺乏内源性高亲和力的尿素酶，无法直接将尿素水解为可利用的氮形式。因此，尿素中氮的利用完全依赖于微生物活动，因为肠道微生物群拥有尿素水解和后续氨吸收所需的关键遗传机制[18]。
在动物饲料领域，黑水虻的有效营养成分仍需进一步优化[19]。幼虫营养物质的积累效率受遗传背景、养殖条件和环境等多种因素的影响，其中肠道微生物被认为是关键驱动因素[20]。黑水虻的肠道微生物群由多种微生物组成，包括细菌、真菌和原生动物[21]。肠道微生物参与昆虫的多种功能，包括营养协调、抵御植物毒素、生理反应、延长寿命、影响发育和繁殖潜力、特定食物的解毒以及金属耐受性[22,23]。因此，肠道微生物对昆虫的饲料转化和营养利用至关重要[22,24]。最近的研究表明，定植在黑水虻肠道中的复杂微生物群通过分解纤维素[25,26]、参与氨基酸代谢[27]和脂质代谢[28]等途径影响宿主的生长、发育和营养组成。然而，现有的研究主要依赖于黑水虻肠道微生物群的宏基因组测序和16S rRNA测序来分析优势菌群的丰度，而实际应用于黑水虻转化的微生物大多是单一菌株。虽然之前的研究探索了使用单一功能菌株或未定义的天然菌群来提高黑水虻的生物转化能力，但单一菌株在复杂底物中的代谢稳定性往往不足，未定义的菌群在精确调控方面的可预测性也有限[25,29]。相比之下，使用定向筛选的功能菌株进行合成组合的方法可以实现代谢互补性和更好的稳定性，但其在中尿素转化中的应用仍需进一步探索[30]。
基于上述研究背景，本研究通过定向筛选黑水虻肠道功能细菌、系统构建组合微生物群并评估其应用效果，揭示了组合微生物群对黑水虻尿素转化的影响，为提高黑水虻资源利用效率和精确调控策略提供了参考。
部分内容摘录
黑水虻的养殖和底物
本研究使用的黑水虻属于武汉株，由中国华中农业大学农业微生物国家重点实验室培育。孵化后，幼虫在温室中以1:1的比例喂食小麦麸皮和小麦混合物，保持70%的湿度，喂养时间为5天。这些5天大的幼虫随后被用于后续实验。
营养缺乏的稻壳被用作基质材料。稻壳被粉碎后...
黑水虻可以利用尿素
为了研究尿素添加对黑水虻生长的影响以及确定肠道样本的采样时间，本研究记录了无尿素和添加尿素条件下黑水虻体重的变化，如图1所示。结果显示，在2天、4天、6天、8天、10天和12天时，CK组的平均单个幼虫体重分别为17.62 ± 1.44 mg、39.07 ± 2.17 mg、50.39 ± 1.10 mg、58.74 ± 1.12 mg、63.93 ± 3.14 mg和61.66 ± 5.01 mg...
结论
本研究从黑水虻肠道中分离出了7种能够利用尿素氮、铵氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的细菌菌株。我们在无菌系统中研究了单个功能细菌及其与黑水虻协同作用时的尿素转化效率。BP菌株对黑水虻体重增加的影响最为显著，而C1菌群被认为是最佳组合。在实际系统中应用C1菌群...
作者贡献声明
邵丹：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学、数据分析、概念构建。秦超伟：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学、数据分析、概念构建。牛永清：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念构建。欧雅妮：撰写 – 审稿与编辑、资源准备。张振宇：撰写 – 审稿与编辑、项目协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了沃尔玛基金会（编号：61626817）、沃尔玛食品安全合作中心、国家自然科学基金（编号：42177100）、动物育种与可持续生产前沿科学中心（编号：2662023DKPY003）和湖北洪山实验室基金会（编号：2021hskf011）的支持。图形摘要使用Figdraw平台制作。
