高浓度的铜暴露会改变黑水虻（Hermetia illucens）的生长情况、氨基酸组成以及金属的生物累积特性

《Chemosphere》：Elevated copper exposure alter growth, amino acid profile and metal bioaccumulation in black soldier fly (Hermetia illucens)

　　

莫哈马德·扎基·阿利菲安（Mochamad Dzaky Alifian）、特里·乌吉莱斯塔里（Tri Ujilestari）、达农·努尔·阿德利（Danung Nur Adli）、拉赫马特·布迪阿托（Rahmat Budiarto）、苏吉哈托·苏吉哈托（Sugiharto·Sugiharto）、特里·普吉·拉哈尤（Tri Puji Rahayu）、赫鲁·庞科·瓦尔多诺（Heru Ponco Wardono）、特卡德·乌里普·潘布迪·苏贾尔诺科（Tekad Urip Pambudi Sujarnoko）、穆罕默德·菲尔达乌斯·胡达亚（Mohammad Firdaus Hudaya）、基·阿亨·萨尔沃诺（Ki Ageng Sarwono）、穆罕默德·米夫塔库斯·肖利金（Mohammad Miftakhus Sholikin）

印度尼西亚博戈尔国家研究与创新机构（BRIN）畜牧研究中心，邮编16915

摘要

铜是能量代谢中必不可少的微量元素，同时作为酶的辅因子；然而，高浓度的铜会导致毒性，并在用于饲料和食品的黑水虻幼虫（BSFL；Hermetia illucens；双翅目：Stratiomyidae）的生产过程中造成污染。本研究评估了高剂量铜暴露对黑水虻幼虫生长、底物转化率、死亡率、铜生物积累量及营养价值的影响。六日龄的幼虫在添加了五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）的底物上饲养10天，实验浓度分别为：T0 = 0.01；T1 = 436；T2 = 868；T3 = 1312；T4 = 1744；T5 = 2182毫克/千克干物质（DM）。结果表明，铜暴露量与生长和体重增加呈明显的剂量依赖性关系（p < 0.010）。在中等剂量（436毫克/千克干物质）下，黑水虻幼虫的表现与对照组无显著差异，表现出一定的耐受性。相反，高剂量暴露（≥868毫克/千克干物质）会导致生长性能显著下降，其中2182毫克/千克干物质的剂量影响最为严重（T5）。436毫克/千克干物质的剂量是铜生物积累量的峰值，但在更高剂量下这一值会下降。这种模式表明可能存在生理饱和或排泄增强的机制。黑水虻幼虫生物体内的铜含量最高达到26.3毫克/千克干物质，仍在欧洲食品安全局规定的安全范围内（15-170毫克/千克干物质）。多变量分析显示，当铜暴露量≥436毫克/千克干物质时，必需氨基酸（精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸）的水平显著下降（p < 0.050，KMO = 0.636）。总之，铜暴露通过改变黑水虻幼虫的生理状态和营养价值来降低其生产性能，868毫克/千克干物质是影响生长和氨基酸组成的临界阈值。

引言

由于黑水虻幼虫（Hermetia illucens；双翅目：Stratiomyidae）具有较高的底物转化效率、良好的营养价值以及处理多种有机废物的能力，其作为可持续蛋白质来源在动物饲料生产中的应用日益广泛（Seyedalmoosavi等人，2022年；Ogello等人，2025年）。然而，黑水虻幼虫生物量的优化不仅取决于底物的营养成分，还依赖于饲养环境的安全性。重金属污染，尤其是铜，由于其在低浓度下既是必需微量元素又在高浓度下具有毒性，因此构成了重大挑战。

铜的需求量非常少，大约为25-50毫克/千克干物质，它作为超氧化物歧化酶、细胞色素氧化酶和酪氨酸酶等酶的辅因子，对这些酶的功能至关重要，这些酶参与能量代谢、抗氧化防御和色素形成（Ushakova等人，2017年；Zhou等人，2023年；Liu等人，2025年）。然而，黑水虻幼虫底物中的铜积累主要源于人为活动，包括回收的动物饲料（2.3-1137毫克/千克干物质）、畜禽粪便（51.6-959毫克/千克干物质）、农业废弃物（29.5毫克/千克干物质）和农药残留（200-250毫克/千克干物质；Zhang等人，2012年；Panagos等人，2018年；Schoffer等人，2020年；dos Santos等人，2023年）。来自集约化畜牧业副产品的底物中铜浓度可高达959毫克/千克干物质，远超过黑水虻幼虫的安全阈值（Zhang等人，2012年）。值得注意的是，并非所有铜都能被黑水虻幼虫吸收。黑水虻幼虫对铜的吸收取决于其化学形式：有机废物中的游离Cu²⁺离子容易被吸收，而与有机物结合的铜则形成难溶复合物，生物利用度较低（Barber-Lluch等人，2023年）。pH值也很重要（酸性环境，pH < 6）时铜的溶解度和毒性会增加，而在中性至碱性环境中铜则倾向于沉淀或结合（Lwin等人，2022年）。最佳铜浓度为11.2-50毫克/千克干物质，可促进黑水虻幼虫的生长和代谢性能（Shah等人，2022年；Zhou等人，2023年）。相反，当铜暴露量达到100-200毫克/千克干物质时，会导致急性毒性，表现为死亡率增加、代谢紊乱以及铜在黑水虻组织中的沉积（Huang等人，2012年；EFSA，2016年；Zhang等人，2025年）。仅了解铜在底物中的行为是不够的，还必须考虑高铜积累的实际影响。

高浓度的铜暴露会显著影响黑水虻幼虫的生产。欧洲食品安全局（EFSA）规定单胃动物饲料中的铜含量不得超过25-50毫克/千克干物质（EFSA，2016年）。EFSA进一步指出，黑水虻幼虫体内铜积累量超过5毫克/千克干物质会对食物链构成风险（EFSA，2010年）。从实际研究角度来看，黑水虻幼虫可以适应高达1200毫克/千克干物质的铜含量（Zhang等人，2025年）。然而，在300毫克/千克干物质的浓度下，死亡率会增加1-5.5%，体重会减少3.1-12.5%（Zhang等人，2025年）。从经济角度来看，当铜含量为100-400毫克/千克干物质时，由于生产效率降低、收获周期延长以及生物质量不安全，生产变得不具经济效益（Wu等人，2020年）。因此，用于饲料或食品生产的黑水虻幼虫生产商必须了解这些实际阈值。

近期研究报道了黑水虻幼虫生产中铜的适宜浓度阈值。铜污染会抑制生长、扰乱代谢途径并增加死亡率（Deng等人，2022年；Ajdini等人，2025年）。铜在黑水虻幼虫体内的毒性表现为氧化应激、酶活性受损以及细胞和基因毒性损伤（Yin等人，2018年；Zhang等人，2025年）。此外，铜通过多种机制影响黑水虻幼虫的生长：（1）诱导中肠上皮细胞凋亡，从而减少营养吸收；（2）抑制糖醇和ATP酶的活性，影响营养代谢；（3）干扰蜕皮激素和幼虫激素的信号传导，延缓蜕皮并抑制生长；（4）诱导脂肪体组织凋亡，影响能量储存（Dong等人，2025年；Bian等人，2025年）。铜还会在黑水虻幼虫组织中积累并通过粪便排出，这会降低底物转化效率并降低生物质量（Deng等人，2022年；Gajdosechova等人，2024年；Zhang等人，2025年）。尽管近期研究广泛探讨了铜的毒性，但尚未全面研究这种重金属对生长性能、形态特征、底物利用效率、铜生物积累、保留量及质量平衡动态的影响。此外，铜暴露对营养价值（尤其是决定饲料功能价值的蛋白质和氨基酸组成）的影响尚未得到充分关注。

本研究假设，在生长底物中增加铜的暴露量会降低生长和转化效率，在高剂量下增加死亡率，诱导黑水虻幼虫组织中的铜生物积累，并改变必需氨基酸的相对丰度和整体营养价值。本文全面评估了铜暴露对生长性能、形态特征、底物利用效率、生物积累、保留量、铜质量平衡及氨基酸组成的影响。研究结果有望帮助确定黑水虻幼虫饲养系统的安全铜污染阈值，确保所得生物量既具有生产力又适合用作动物饲料。

章节摘录

黑水虻幼虫

黑水虻幼虫的卵来自PT. Biomagg Sinergi Internasional公司。每个处理组包含500只初始体重均匀的幼虫，每只幼虫每实验单位获得92.1-93.1克饲料。饲料根据指定的处理水平添加了铜。

实验设计

本研究采用完全随机设计，只有一个因素——铜污染水平，包含六个处理组。处理组T0为对照组，不添加铜；而处理组T1至T5则逐渐增加铜的添加量

底物的组成和特性

底物由40%的大豆粉组成，提供蛋白质和氮（见表S1）。大米淀粉和木薯淀粉分别占40%和20%，作为主要能量来源。底物的粗蛋白（CP）与碳水化合物（CHO）比例较为理想，因为研究表明，粗蛋白含量为16%、碳水化合物含量为60.2%时，饲料效率和黑水虻幼虫的活体重明显高于粗蛋白含量为9.6%、碳水化合物含量为66.5%的情况（Nahrowi等人，2025年）。与其他底物组成相比，这种比例没有显著差异

结论

总之，用于饲料的高质量、安全的黑水虻幼虫（BSFL）生物量需要使用含有约17%粗蛋白（CP）和69%碳水化合物（CHO）的底物，且粗蛋白与碳水化合物的比例接近1:4，并严格避免铜污染。当铜暴露量为868毫克/千克干物质时，黑水虻幼虫的生长性能、饲料转化效率和存活率显著下降。此外，铜会在黑水虻幼虫体内积累，如果将其用作动物饲料，可能会产生毒性。因此，黑水虻幼虫

CRediT作者贡献声明

莫哈马德·扎基·阿利菲安（Mochamad Dzaky Alifian）：负责写作、审稿与编辑、数据验证、资源整理、正式分析及数据管理。特里·乌吉莱斯塔里（Tri Ujilestari）：负责写作、审稿与编辑、概念构思、资金获取、方法设计、监督、可视化及初稿撰写。达农·努尔·阿德利（Danung Nur Adli）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据验证、监督、方法设计及资金获取、概念构思。拉赫马特·布迪阿托（Rahmat Budiarto）：负责写作、审稿与编辑、软件使用、项目协调

手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备手稿过程中，作者使用了Trinka AI来辅助语言编辑，使文本更加清晰。他们检查并修改了系统生成的所有内容，但仍对发表文章的准确性、完整性和最终内容负全责。

资金支持

本研究得到了印度尼西亚教育捐赠基金（LPDP）和国家研究与创新机构（BRIN）的RIIM第三波计划（2024-2025年；12/II.7/HK/2023）的资助。

作者声明以下可能构成利益冲突的财务利益和个人关系：穆罕默德·米夫塔库斯·肖利金（Mohammad Miftakhus Sholikin）报告称设备、药品或耗材由印度尼西亚教育捐赠基金提供；穆罕默德·米夫塔库斯·肖利金还报告称行政支持、设备、药品或耗材以及写作协助由印度尼西亚国家研究与创新机构提供。如果有其他作者，他们也需进行相应声明

致谢

作者衷心感谢畜牧研究中心提供的机构支持，以及IPB综合实验室在分析方面的协助。作者还感谢畜牧研究中心与蒂达尔大学（Tidar University）农业学院之间开展的名为“昆虫生物质的衍生化及下游加工用于功能性饲料添加剂和补充剂开发”的合作研究。