赋予食物废弃物衍生材料杀虫性能

《Powder Technology》：Imparting insecticidal properties to materials derived from food waste

　　

食物损失已成为全球性关切问题。据联合国环境规划署（UNEP）报告，2022年全球约有10.5亿吨食物被浪费，占生产和供应总量的19%。2015年通过的《2030年可持续发展议程》包含目标12.3，旨在到2030年将零售和消费层面的全球人均食物浪费减半，并减少生产和供应链中的食物损失。目前食物废弃物的回收利用方法主要涉及转化为饲料和堆肥，但这些方法面临质量控制、季节性需求波动以及过量氮负荷对环境造成影响等挑战。因此，需要开发超越传统方法的新技术以实现食物废弃物的有效利用。已有研究探索将包括食物废弃物在内的多种农业废弃物掺入建筑材料，但这些方法通常包括将农业废弃物转化为灰烬以部分替代混凝土或砖生产中的原材料，或将树脂或特定食物材料混合作为粘合剂，或将农业废弃物转化为生物塑料。

Machida和Sakai开发了源自食物废弃物的材料，以处理多样化的食物废物流。通过对废弃食物材料进行干燥、粉碎和热压成型，可以制造出具有足够强度可用作建筑材料的模制产品。目前，这些材料在铁路车站等基础设施中作为建筑材料的应用正在探索中。在实际应用中，这些材料已被用于生产盘子、杯垫等小件物品，以及家具和室内产品。此外，在2025年日本大阪·关西世博会上，这些材料被用于覆盖“Gallery WEST”展馆的屋顶。

然而，如果不采取预防措施，源自食物废弃物的材料易受储粮害虫（包括烟草甲（Lasioderma serricorne））的损害。图1显示了麦麸容器底部的照片，红圈表示烟草甲形成的孔洞，蓝圈表示可能侵入材料的幼虫和蛹的残留物。该容器曾储存在密封塑料袋中，但材料仍被损害。成年烟草甲不取食，造成取食损害的是幼虫。因此，有效预防需要抑制昆虫繁殖以确保材料的长期稳定性。储粮害虫优先侵染谷物、面粉和坚果等低水分材料，广泛存在于食品加工厂、仓库和家庭中。

全球范围内，储粮害虫对谷物和食品造成的损失相当可观。一项对五个国家1000家公司的调查发现，60%的企业因这些害虫造成的损害每年损失1%~9%的收入。合成化学杀虫剂已被广泛用作食品加工和储存设施中储粮害虫的主要防治措施。尽管化学杀虫剂对目标害虫具有快速高效的控制效果，但其长期环境影响和对人类健康的潜在风险已引起担忧。许多合成杀虫剂也可能影响非靶标生物；此外，残留物造成的环境污染和生态负担问题也被强调。因此，对更安全、更可持续的害虫管理方法的需求日益增长。

Ofuya和Adler报道了稻壳灰对包括赤拟谷盗在内的几种储粮害虫的杀虫效果。稻壳灰的杀虫作用归因于存在大量针状颗粒，这些颗粒被认为源自覆盖稻壳外表面的鬃毛状结构，这些颗粒对昆虫角质层造成物理损伤，最终导致死亡。硅藻土（DE）是一种具有高效杀虫效果的自然杀虫剂。Ofuya和Adler评估了DE对成年烟草甲的杀虫效果，在含有20克玉米并施加DE的透明玻璃培养皿中放置20只成年甲虫，实验开始后一天内成虫死亡率达到100%，表明DE对烟草甲具有快速、强烈的杀虫效果。Shah和Khan报道DE因其多孔结构而具有高效杀虫性能，该结构吸附昆虫角质层中的脂质，从而破坏体表的水分保持功能并诱导脱水。Moura等人研究了不同粒径和煅烧条件的几种DE，发现与昆虫粘附力较弱且吸附/吸收能力较低的DE表现出最低的杀虫效果。此外，他们提出除脱水外，无机粉末可能使昆虫的感器变形或堵塞，从而损害昆虫的行为和生理功能。DE的杀虫效果不仅限于成虫，也已被报道对某些储粮害虫的幼虫阶段有效。特别是由于烟草甲幼虫造成大部分损害，评估DE对幼虫阶段的效果非常重要。尽管粉末状DE的杀虫效果已有报道，但当其掺入并压实至食物废弃物衍生材料中时，其效果可能不同，因为混合和压实可能改变其性质。压实可能破坏DE的多孔结构，减少其暴露的表面积，并限制DE颗粒与昆虫的直接接触，从而可能降低其杀虫效果。

本研究的目的是在不使用化学药剂的情况下，赋予源自食物废弃物的材料杀虫活性。除DE外，还研究了粉煤灰（FA）（燃煤电厂副产物）和混凝土粉末（CP）（源自破碎的混凝土碎屑）。这些材料产生量大且处置困难，因此其进一步利用受到强烈期望。本研究使用赤拟谷盗（Tribolium castaneum）幼虫作为测试昆虫，该物种是储粮害虫研究中广泛使用的模式生物，因其易于处理。与烟草甲类似，赤拟谷盗主要以小麦粉和谷物制品等干燥谷物为食，是世界各地食品储存设施中的主要储粮害虫。尽管这两个物种具有相似的以干燥食物材料为中心的取食习性，但选择赤拟谷盗是因为它易于室内饲养、易于实验管理，且非常适合实验室繁殖条件。此外，这两个物种的幼虫形态大致相似，且在幼虫阶段利用相似的食物资源。另外，该物种已有标准化的饲养方法和丰富的实验数据。

利用食物废弃物开发具有杀虫性能的建筑材料，可以促进食物废弃物的有效利用，这些废弃物若管理不当可能加剧温室气体排放，同时支持向循环社会转型。此外，部分替代水泥和混凝土等传统建筑材料（其生产与大量CO₂排放相关），可以进一步减少建筑环境负担。赋予这些材料抗虫性可以增强其耐久性和实际适用性，同时减少对化学杀虫剂的依赖。

论文解读：赋予食物废弃物衍生材料杀虫性能的研究

**1. 研究背景与问题**

全球食物浪费问题日益严峻，联合国环境规划署报告显示2022年全球约10.5亿吨食物被浪费，占食物生产供应总量的19%。当前食物废弃物的回收利用主要局限于饲料和堆肥，面临质量控制困难、需求季节性波动以及氮负荷过高等环境问题。因此，开发新型高效利用技术十分必要。已有研究者尝试将食物废弃物转化为建筑材料，如Machida和Sakai开发的热压成型食物废弃物衍生材料已具备足够强度，并探索应用于车站等基础设施和世博会建筑。然而，这类材料易受储粮害虫（如烟草甲Lasioderma serricorne）幼虫的取食损害，严重影响材料长期稳定性。传统化学杀虫剂虽高效，但存在环境污染和健康风险，因此需要开发安全可持续的害虫防治方法。本研究旨在不借助化学药剂，通过向食物废弃物衍生材料中掺入具有物理杀虫活性的无机粉末，赋予材料本身杀虫性能。

**2. 研究内容与结论**

研究人员选用三种候选无机材料：硅藻土（DE）、粉煤灰（FA）和混凝土粉末（CP），将其按15 wt%比例与面粉混合，通过热压成型制备模制试样，以赤拟谷盗（Tribolium castaneum）幼虫为模式生物进行杀虫效果评价。结果表明，DE表现出最强的杀虫效果，CP次之，而FA几乎无杀虫效果。机理分析显示，DE的多孔结构可吸附昆虫体表脂质导致脱水；CP的棱角状颗粒可能造成昆虫角质层物理损伤；FA光滑球形颗粒难以附着。此外，环境温度升高会增加幼虫取食量，但不影响致死率，说明取食量与死亡率无直接正相关，致死作用主要源于材料与昆虫的物理相互作用。力学测试显示，掺入CP可略微提高抗弯强度，而DE和FA会降低强度。所有试样抗弯强度均超过5 MPa，满足日本JIS A 5371:2016标准对路面铺设用联锁砌块的强度要求。

**3. 关键技术与方法**

本研究采用热压成型技术制备模制试样（压力20 MPa，温度130 °C，时间3 min）；通过幼虫存活率评价杀虫效果（记录3天内死亡个体数）；使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料颗粒形貌、试样表面和死虫体表；采用三点弯曲试验测定抗弯强度；利用气体比重瓶和游标卡尺分别测定真密度和体积密度，计算孔隙率。样本来源方面，DE为市售试剂级产品，FA和CP分别来自燃煤电厂副产物和实验室制备的普通硅酸盐水泥混凝土（水灰比0.45，配合比：水泥323 kg/m³，水161 kg/m³，砂791 kg/m³，砾石1042 kg/m³），在20 °C水中养护28天后破碎球磨制成。

**4. 研究结果**

**4.1 死亡率**
在系列1实验中，20 °C和30 °C条件下，掺DE试样的幼虫死亡率与纯面粉试样无显著差异，但30 °C时试样质量损失（取食量）增加1.5~2倍，表明温度促进取食但不直接提高死亡率。系列2结果显示，纯面粉试样3天死亡率为11.7%，掺FA试样为6.7%，掺CP试样为20%左右，掺DE试样最高（约66.7%）。DE和CP表现出明显杀虫作用，FA则无效。

**4.2 SEM观察**
SEM图像显示，DE颗粒为多孔结构，死虫体表粘附有DE颗粒；FA为光滑球形颗粒，粘附力弱；CP为不规则棱角状颗粒。压实后DE多孔结构部分破坏，活性表面减少，导致其粉末态几乎100%死亡率下降至压实态的约66.7%。未在死虫体表发现明显物理损伤，CP的杀虫机理尚需进一步研究。

**4.3 抗弯强度与孔隙率**
掺DE和FA的试样抗弯强度较纯面粉试样下降，而掺CP试样强度略有提高（约8%）。孔隙率方面，所有掺入粉末的试样孔隙率均增加。FA因光滑表面与面粉粘附不良形成空隙，DE因自身多孔结构引入内部缺陷，CP则因颗粒间形成力链骨架而增强强度。所有试样抗弯强度均超过5 MPa，满足人行道和车行道铺装的强度要求。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，DE粉末在松散状态下可在3天内达到接近100%的死亡率，但压实后效果显著下降，原因是压实破坏了DE多孔结构，减少有效作用面积。CP在松散和压实状态下均表现稳定杀虫效果，表明其机理可能不依赖孔隙结构。FA因球形光滑表面难以附着于昆虫体表，无法产生有效杀伤。温度升高虽增加取食量，但未提高死亡率，证实物理接触而非取食摄入是致死主因。研究结论认为，DE和CP可作为赋予食物废弃物衍生材料杀虫性能的有效添加剂，其中CP还能略微改善材料力学性能；FA不适用。虽然本研究使用赤拟谷盗幼虫，但鉴于其与烟草甲在幼虫形态和食性上的相似性，结果对防治烟草甲具有参考价值，未来需用烟草甲幼虫验证。该研究为食物废弃物高附加值利用和绿色建筑材料开发提供了新途径，有望减少化学杀虫剂使用并降低建筑行业碳排放。