《Bioresource Technology》：Black Soldier Fly in a biorefinery approach: Converting vegetable waste into protein-rich larvae and nutrient-rich frass
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Sujata Phurailatpam|Shivang Srivastava|Meena Khwairakpam印度阿萨姆邦古瓦哈提市印度理工学院农业与农村技术学院，邮编781039摘要黑水虻幼虫能够将有机废物转化为有价值的生物资源，但废物成分对虫粪质量及幼虫蛋白质产量的影响机制
Sujata Phurailatpam|Shivang Srivastava|Meena Khwairakpam
印度阿萨姆邦古瓦哈提市印度理工学院农业与农村技术学院，邮编781039
摘要
黑水虻幼虫能够将有机废物转化为有价值的生物资源，但废物成分对虫粪质量及幼虫蛋白质产量的影响机制尚不明确。本研究通过三种处理方式——仅使用蔬菜废物（T0）、蔬菜废物与木屑混合（6.5:0.5；T1）、蔬菜废物与牛粪及木屑混合（5:4:1；T2）——探讨了基质成分对幼虫生长表现及虫粪营养特性的影响。研究从废物减少量、降解时间、幼虫存活率、生物量增长及蛋白质含量等方面评估处理效率。T0组的废物减少率最高，达94.10%；而T2组不仅显著缩短了堆肥时间（11天），还能维持最高的幼虫存活率。幼虫的生物量增长在T0组最高，为每只幼虫74.2毫克；T1组的蛋白质含量最高，达45.5%。通过对黑水虻预蛹的傅里叶变换红外光谱分析，确认其中存在蛋白质、脂质和多糖，且各组峰强度存在差异。由T2组产生的虫粪营养价值更高，氮、磷、钾含量均有所提升，且植物毒性较低，种子发芽率超过80%。黑水虻参与的有机废物协同处理不仅能提高虫粪的营养价值，还能改善幼虫生长状况并缩短处理时间，显示出其作为高效、低成本且可持续的循环生物资源管理策略的潜力。
引言
根据全球最新估算，2022年全球约有10.5亿吨食物被丢弃，这一数值约占零售、餐饮和服务行业以及家庭领域供应给消费者的食物总量的19%（联合国环境规划署，2024年）。在印度等发展中国家，快速的人口增长和城市化进程进一步加剧了食物浪费问题。由于含有大量有机物，若得到妥善处理，食物废物可成为实现可持续回收和循环利用的优质材料（Quan等人，2024年）。然而，传统的处理方式如填埋、焚烧和厌氧消化往往会导致营养物质流失并造成严重的环境影响（Liu等人，2021年）。
与此同时，木材生产地区每年会产生数百万立方米的木屑（Sharma等人，2023年）。在包括印度在内的许多发展中国家，木屑常常被直接倾倒、焚烧或填埋，这不仅会导致空气污染、温室气体排放增加，还会损害土地和水生生态系统（Mwango和Kambole，2019年）。尽管如此，由于其高碳含量、良好的吸湿性以及能够提升堆肥结构的孔隙度和透气性，木屑被广泛认为是堆肥系统中有效的填充剂（Yang等人，2013年）。先前的研究表明，理想的食物废物处理填充剂应具有接近中性的pH值、较高的碳氮比，以及足够的自由空间（大于30%），以便支持好氧降解过程（Adhikari等人，2008年、2009年；Chem等人，2020年）。同样，养牛业也会产生大量的牛粪和粪便洗涤水，这些物质富含碳和氮，既包含易生物降解的成分，也含有纤维素、半纤维素和木质素等难以分解的聚合物。这些特性有助于形成多样的微生物群落，使得牛粪成为稳定有机废物的优质共基质（Elmekawy等人，2015年）。这些挑战凸显出需要高效的生物系统来稳定混合有机废物并实现资源回收。
黑水虻属于双翅目花萤科，是一种在有机废物生物转化方面展现出巨大潜力的昆虫。它的生命周期包括卵、幼虫、预蛹、蛹和成虫五个阶段（Schneider等人，2025年）。其中，幼虫阶段因其强大的取食能力和快速生长速度而尤为重要。除了生物发育方面的作用外，黑水虻作为分解者，在快速分解有机物并促进养分循环方面也发挥着关键的生态作用。此外，黑水虻还能抑制病原微生物，减少废物体积，从而有助于维护环境卫生和生态系统的可持续性（Shi等人，2024年）。
基于这些生态特性，黑水虻因其在低环境足迹下的可持续废物管理应用而受到广泛关注（Bosch等人，2019年）。通过黑水虻的生物转化，可以产生两种具有经济价值的产物：富含蛋白质和脂质的幼虫生物量，可作为牲畜饲料；以及虫粪，这种残留物可作为有机肥料使用（Surendra等人，2020年；Rumpold和Schlüter，2013年；Spranghers等人，2017年）。以往的研究已经证实，黑水虻在食物残渣、果蔬废物、人类排泄物、消化物和牛粪等多种基质上的养殖都具有很高的废物减量和生物量转化效率（Lalander等人，2019年；Ermolaev等人，2019年；Gold等人，2020年；Liu和Kumar等人，2021年）。
尽管已有诸多研究成果，但目前大多数研究都集中在单一基质系统上，这类系统无法真实反映现实环境中有机废物的复杂多样性。在印度等地区，蔬菜废物、牛粪和木屑等多种有机残留物往往在城乡周边地区同时产生且彼此临近。目前尚缺乏对混合基质成分如何影响幼虫生长表现、养分回收及虫粪质量的系统研究，这成为限制基于黑水虻的废物管理系统实际应用和规模化发展的重要因素。
鉴于此，本研究旨在通过研究混合有机基质的生物转化而非单一原料的转化，填补这一研究空白。本研究的创新之处在于对多种性能指标进行了综合评估，包括幼虫生长动态、废物减少效率、预蛹中的蛋白质积累情况，以及最终生成的虫粪的物理化学性质和稳定性。通过将这些参数相互关联，本研究相较于以往仅单独研究这些方面的工作，能更全面地理解资源回收过程。
因此，本研究的目标是探究由蔬菜废物、牛粪和木屑组成的不同基质组合对以下方面的影响：（1）幼虫的生长表现，包括发育时长、存活率和生物量增长；（2）黑水虻预蛹的废物减少效率和蛋白质含量；（3）虫粪的物理化学性质、营养成分及稳定性。研究结果有望为将当地可获得的有机废物转化为高价值产品，如富含蛋白质的生物量和有机肥料，提供有效的规模化处理策略。
章节节选
将黑水虻卵接种以培育幼虫
本研究共从阿萨姆邦的一位当地黑水虻养殖户处获取了10克黑水虻卵。这些卵是从养殖场内的产卵基质中收集而来，随后被小心转移到干净且通风良好的容器中，运送到实验室。抵达实验室后，研究人员对卵进行了检查，随即将其放入预先准备好的养殖环境中。实验中使用了尺寸为36厘米×18厘米×8厘米的空托盘，其中加入了300克的碎鸡饲料
环境温度和湿度变化对黑水虻生命周期的影响
黑水虻属于变温昆虫，其生长、行为和发育进程在很大程度上受周围环境条件的影响，尤其是温度和相对湿度（Tomberlin等人，2018年）。在本研究中，我们在自然环境条件下观察了黑水虻从卵孵化、幼虫分解有机基质、化蛹、羽化为成虫直至再次产卵的整个生命周期。在整个实验期间，环境温度在27摄氏度左右波动
结论
本研究结果表明，将蔬菜废物与牛粪及木屑共同处理，能够显著提升黑水虻介导的生物转化效率。与仅使用蔬菜废物相比，优化后的基质混合物不仅将降解时间缩短了4天，还能保持93.9%的高幼虫存活率，这说明该处理方式具有更好的工艺稳定性，更适合大规模应用。此外，在混合基质上培育的幼虫蛋白质含量高出45.5%
CRediT作者贡献说明
Sujata Phurailatpam：撰写——初稿、可视化、软件应用、资源获取、方法设计、实验实施、正式分析、数据整理、概念构思。Shivang Srivastava：软件应用、正式分析、数据整理。Meena Khwairakpam：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法设计、实验实施、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢印度理工学院古瓦哈提分校的农业与农村技术学院以及固体废物实验室，为这项研究提供了必要的实验室设施和仪器设备。同时，我们也感谢古瓦哈提理工学院的中心仪器设施部门所提供的仪器支持。本研究中表达的观点和结论完全属于作者个人观点，并不一定代表
