热灭菌处理对黑水虻虫砂(Insect Frass)养分组成及生菜盆栽试验中生物肥料性能的影响

《Agronomy》：Effects of Thermal Sanitization on Insect Frass Nutrient Composition and Biofertilizer Performance in a Lettuce Pot Trial

　　

摘要：随着昆虫养殖在欧洲的扩展及昆虫副产品高值化利用需求的增加，昆虫虫砂（由排泄物与蜕皮残壳组成）因富含养分及有益微生物而成为常规化肥的可持续替代品，但其组分随虫种与饲料而异。欧盟(EU)法规要求虫砂上市前须进行热灭菌(Thermal Sanitization)，然而热处理对虫砂养分组成及生物肥料效能的影响尚不清楚。本研究以饲喂乳制品工业副产物饲养的黑水虢(Hermetia illucens)所产虫砂(BSFF)经70 ℃、1 h热灭菌后，与砂质土壤混合开展两项生菜(Lactuca sativa)温室盆栽试验，旨在明确热灭菌对(1)宏量与微量养分含量及动态变化（植株氮、磷吸收）及(2)生物肥料潜力——包括植株生理指标（叶绿素、花青素、类黄酮、最大光化学量子产量Fv/Fm）、植株生长（生物量）及土壤微生物活性（脱氢酶Dehydrogenase、β-葡糖胺糖苷酶β-glucosaminidase）的影响。结果表明，BSFF可显著提高生菜叶绿素含量、生物量及土壤微生物酶活性，具促生潜力；热灭菌处理在试验条件下未显著改变虫砂的农学表现，对其促进生物量增长、叶绿素含量、微生物酶活性及植株氮磷吸收的效益无削弱作用。上述发现说明强制性热灭菌未损害其农学功能，支持其在循环农业系统中的应用潜力，但结果限于特定虫砂、土壤与作物组合的温室条件，需田间验证以确认大规模高附加值作物生产下的适用性。

论文解读：热灭菌对黑水虻虫砂养分组成及生菜生物肥料效能的影响

研究背景与意义

昆虫养殖因可将低值有机废弃物转化为优质蛋白饲料而被视为循环经济的重要组成部分，欧盟法规(EU) 2017/893已允许昆虫加工动物蛋白用于水产饲料。黑水虻幼虫取食有机废弃物后产生的副产物——虫砂(insect frass，由排泄物excreta与蜕皮exuviae组成)，富含碳(C)、氮(N)、磷(P₂O₅)、钾(K₂O)及有益微生物，具有改良土壤与提供养分的生物肥料潜能。然而虫砂组成高度可变，且EU法规2021/1925强制要求虫砂上市前需经≥70 ℃、1 h热灭菌(sanitization)以杀灭人畜病原体。现有研究对热灭菌是否会改变虫砂化学性质（矿质N释放、电导率EC）、破坏原有有益微生物群落从而影响其促生与改土功能知之甚少。明确此问题对虫砂商品化及合规应用至关重要。因此研究人员以乳制品副产物饲喂黑水虻(Black Soldier Fly, BSF; Hermetia illucens)所得虫砂(BSFF)为材料，设置灭菌与非灭菌对照，通过两次独立生菜温室盆栽试验，系统评估热灭菌对BSFF养分组成、生菜生理与生长、土壤养分及微生物酶活性的影响，以检验热灭菌是否损害其生物肥料功能。该论文发表于《Agronomy》。

主要关键技术方法

研究人员获取丹麦Enorm Biofactory A/S黑水虻幼虫饲喂脱乳糖渗透物(delactosed permeate，乳业副产物)所产生的均质化BSFF批次，分为两份，一份70 ℃、1 h烘箱薄层热处理(sanitized BSFF)，另一份为非灭菌对照(non-sanitized BSFF)，?18 ℃保存待用。采用砂质农田土壤（pH_CaCl26.43，有机碳11.1 g kg^?1），依丹麦生菜施氮标准(165 kg N ha^?1)计算BSFF施用量(相当于15 t DM ha^?1，每盆0.034 kg)，将BSFF与土壤水泥转鼓混匀后分装3 L盆。设对照(无肥)、非灭菌BSFF、灭菌BSFF三处理，完全随机设计，试验一(2024年4–5月)生菜品种Alega，6次重复(对照3次)；试验二(2024年11月–2025年1月)5次重复。测定指标包括：虫砂基本理化(pH、EC、全C/N/P₂O₅/K₂O/MgO/Total S、NH₄⁺-N、NO₃^?-N)；植株地上/地下鲜干生物量；叶片相对叶绿素(chlorophyll)、类黄酮(flavonols)、花青素(anthocyanins)、氮平衡指数(NBI)及PSII最大量子产量(Fv/Fm，暗适应后FluorPen测定)；收获后根际土壤脱氢酶(Dehydrogenase Activity, DHA)与β-葡糖胺糖苷酶(β-glucosaminidase, β-GA)活性；收获土壤矿质N(NH₄⁺-N + NO₃^?-N)、P、K、Mg及植株组织N、P吸收量。数据分别独立进行单因素ANOVA及Tukey HSD检验，虫砂性质差异用独立样本t检验。

研究结果

3.1. The Effect of Sanitization on the Frass Nutrient Content and Chemical Properties

对灭菌与非灭菌BSFF进行全项理化分析，结果显示两者在全C、全N、有机 matter、P_{25、K2O、MgO、Total S、pH、EC及可溶性NH4⁺-N、NO3^?-N上均无统计学显著差异(p > 0.05)，灭菌组EC(p = 0.128)与NH4⁺-N(p = 0.281)略升高但未达显著水平。表明70 ℃、1 h热处理在本研究条件下未明显改变BSFF基础化学组成。}

3.2. The Effect of Frass Sanitization on the Physiological Response of Lettuce

两批试验中，施加BSFF（无论是否灭菌）均使生菜叶片叶绿素含量显著高于不施肥对照，且灭菌与非灭菌处理间无显著差异。第二试验第3周对照花青素高于两BSFF处理，第7周仅灭菌BSFF处理花青素显著低于对照；两BSFF处理类黄酮均低于对照；氮平衡指数(NBI)两BSFF处理均高于对照且无相互差异。第一试验BSFF处理Fv/Fm高于对照，第二试验各处理间Fv/Fm无差异。综上，BSFF缓解缺氮胁迫并提升光合效率，热灭菌不影响生菜生理响应。

3.3. The Effect of Sanitized Frass on Lettuce Plant and Root Biomass

两试验中BSFF处理生菜地上部鲜重与干重均极显著高于对照(p < 0.001)，灭菌与非灭菌BSFF处理间无显著差异（试验一地上鲜重p = 0.973、干重p = 0.929；试验二鲜重p = 0.952、干重p = 0.528）。第二试验测得根鲜重与干重亦表现为BSFF处理高于对照，两BSFF处理间无差异（鲜根p = 0.494，干根p = 0.173）。说明热灭菌不削弱BSFF促生效果。

3.4. The Effect of Sanitized Frass on Soil Microbial Activity

收获后根际土壤脱氢酶(DHA)与β-葡糖胺糖苷酶(β-GA)活性两BSFF处理均显著高于对照(p < 0.01)，灭菌与非灭菌BSFF处理间DHA(p = 0.96)与β-GA均无显著差异。表明BSFF输入有机C与养分刺激土著微生物活性，热灭菌未抑制该激发效应。

3.5. Nutrient Analysis of Soil Samples and Plant Nutrient Uptake

收获土壤pH、P、K、Mg两BSFF处理均高于对照，BSFF两处理间除矿质N外无差异——灭菌BSFF处理土壤残留矿质N(174.7 mg kg^?1)显著高于非灭菌BSFF处理(150.1 mg kg^?1, p = 0.0105)。植株地上部N、P吸收量两BSFF处理间无显著差异(p_N= 0.854, p_P= 0.508)。说明热灭菌轻微促进N矿化致使收获残余矿质N略高，但未超出生菜吸收阈值故不影响植株养分摄取。

讨论与结论总结

研究人员讨论指出，70 ℃、1 h热灭菌虽可降低虫砂活菌数并消除病原，但并未显著降低BSFF的农学功能。微量NH₄⁺-N与EC升高趋势与其他有机物料热促N矿化报道一致，但未达显著。土壤酶活提升被认为主要由BSFF有机C与养分驱动土著微生物增殖所致，而非依赖虫砂自带活菌，故热处理残留耐热芽孢杆菌或有机底物本身足以维持激发效应。灭菌BSFF处理收获土残留矿质N较高，反映热改性有机N组分加速矿化，但因施用率较高已达生菜吸N饱和(luxury consumption)，多余矿质N留于土中未被利用，故植株N吸收与生长无差别。BSFF提高叶绿素与Fv/Fm、降低缺氮胁迫诱导的次生代谢物（花青素、类黄酮）及提高NBI，证实其满足生菜N需求。两独立试验一致性表明结果具稳健性。

结论(Conclusions)：在温室盆栽条件下，黑水虻虫砂(BSFF)可显著提升生菜地上与地下生物量、叶绿素含量、氮平衡指数、光合效率(Fv/Fm)及根际土壤脱氢酶与β-葡糖胺糖苷酶活性，具备生物肥料潜力。按EU法规2021/1925要求的70 ℃、1 h热灭菌未显著改变BSFF宏微量养分组成，也未削弱其促生、促光合及激活土壤微生物酶的功能。与假设部分一致的是，灭菌BSFF处理收获土残留矿质N显著高于非灭菌BSFF，提示热处理促进净N矿化，但该差异未转化为植株N吸收或生长差异。土壤酶活、生物量、养分吸收和植株生理指标在灭菌与非灭菌间均无显著差异，说明热灭菌处理的BSFF农学功能等同于非灭菌产品。研究支持热灭菌BSFF纳入循环园艺生产体系，但结果基于单一虫砂、土壤与作物之温室试验，尚需田间多条件验证、优化施用量以降低收获残余矿质N累积，并需结合微生物群落解析虫砂源微生物与土壤土著微生物的相对贡献。