《Biomass》：Black Soldier Fly-Based Protein Production: A Systematic Review of Current Advances and Sustainability Perspectives
摘要
若干全球性挑战正在交汇：有机固体废弃物产生量不断上升、食品需求持续增长，以及食品生产条件日益不利，包括更频繁和更严重的干旱、水资源短缺以及可用于扩张的农业用地有限。将有机废弃物生物转化为替代蛋白来源，已成为同时应对废弃物管理与饲料生产挑战的一项有前景的策略。本研究对利用黑水虻（BSF, Hermetia illucens）生物转化残余生物质进行蛋白生产的相关文献，开展了一项全面的系统性综述。黑水虻在其幼虫阶段是一种食量极大的生物，能够大幅削减有机废弃物量，同时将其转化为富含蛋白质和脂质的生物质，对畜禽及水产养殖饲料配方具有较高营养价值。本综述从技术、经济和环境三个视角审视废弃物转化蛋白（Waste-to-Protein, WtP）系统。技术视角聚焦于生产系统运行和底物特性。经济视角涉及盈利性指标、资本与运营成本、规模经济，以及将昆虫源蛋白纳入动物生产系统的经济表现。从环境视角来看，生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）是评估WtP-BSF系统的主流方法。在采用LCA评估的系统中，63%依赖作物来源底物进行幼虫饲喂。这些底物具有内在商业价值，加之黑水虻幼虫（BSFL）饲养过程中能源消耗所带来的环境负担，可能制约WtP-BSF系统的整体可持续性和盈利能力。通过评估投喂量、幼虫密度、实际有机废弃物以及畜禽饲料的生态效率指标等因素，可在发展中国家发掘循环经济的发展机遇，有助于减少对填埋场的依赖。
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引言
2022年，联合国环境规划署（UNEP）估计全球有10.5亿吨食物在零售（12%）、餐饮服务（28%）和家庭（60%）三个环节被浪费，相当于每人每年134千克。在发展中国家，超过50%的固体废弃物为有机废弃物，主要通过填埋场和露天堆放等最终处置场所进行管理。根据2018年世界银行报告，填埋是全球主要的废弃物管理策略，约占全球废弃物管理的37%。填埋场占全球甲烷排放量的20%，使其成为仅次于农业和食品生产的人为温室气体（GHG）排放第二大来源。美国环境保护署（EPA）报告称，每1000公吨食物废弃物（FW）在填埋场处置，厌氧分解会向环境释放约34公吨逸散性甲烷排放。强调这些环境后果可以激励受众考虑能够减少温室气体排放的替代性废弃物管理策略。
在欧洲国家，从有机废弃物中回收能源（废弃物转化能源，Waste-to-Energy）的成熟技术已相当完善。欧洲沼气协会2025年发布的最新报告显示，欧洲有超过21000座厌氧消化设施，主要利用食物废弃物发电。这一模式与发展中国家形成鲜明对比，例如在墨西哥，既无政府补贴也无足够的基础设施，该技术相对化石燃料不具备成本效益，且缺乏更严格的立法继续鼓励使用填埋场。拉丁美洲国家以第一产业为主导，导致水资源短缺以及农业用地扩张超出人类和动物消费所需等问题。鉴于这种情况，研究人员提出了从有机废弃物非营养组分中回收营养物质并循环用作畜禽饲料的技术。尽管这些方法具有环境优势，但在物流和营养方面仍存在障碍，尤其是在灭菌和分销环节。这些阶段在饲料干燥过程中消耗大量能源，与湿法饲喂系统相比，干燥环节的能源成本可占总能源成本的95%。
为应对这些营养和能源挑战，废弃物转化蛋白（WtP）技术近年来作为食物废弃物层级管理中的有吸引力的回收替代方案而出现。这些策略旨在通过生物转化过程将有机材料升级再造为高价值产品，如蛋白质和专业化生物产品。这是利用活生物体实现的，包括微生物蛋白以及来自直翅目（Orthoptera）、鞘翅目（Coleoptera）和双翅目（Diptera）的昆虫生物转化器，以及混合生化途径。其中，最有前景的生物途径涉及黑水虻（Hermetia illucens），该物种以其幼虫阶段贪食的习性以及从异质底物中高效积累脂质、碳水化合物和蛋白质的能力而著称。
利用H. illucens进行生物转化（WtP-BSF）在环境友好型废弃物管理方面有潜力与常规WtE技术相媲美。例如，用H. illucens处理一吨食物废弃物产生的净温室气体排放约为35 kg CO2当量，而传统堆肥则产生高达111 kg CO2当量。此外，作为动物饲料成分，H. illucens与传统来源相比具有很强的竞争力；一千克新鲜幼虫饲料的影响为1.16 kg CO2当量，相比标准大豆基饲料的6.52 kg CO2当量有大幅降低。然而，当前的综述往往缺乏关于所评估底物的地理来源和理化特性的详细信息，限制了对区域适用性和变异性的理解。
黑水虻养殖（WtP-BSF）的经济可行性仍然知之甚少，尤其是在环境指标之外。现有文献大多狭隘地聚焦于特定技术方面或基线底物营养概况，使得蛋白生产更广泛的经济考量在很大程度上未被审视。这一空白因市场认知差异、区域社会经济条件以及偶尔对销售价格的高估而进一步复杂化。WtP-BSF的商业价值随地理位置、目标行业（如宠物食品、水产养殖或畜禽）以及所商业化产品的生命周期阶段而显著波动。
新兴的黑水虻工业部门竞争激烈，促使企业对资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）严格保密。这种保密性造成了关于投资和维护成本的不可靠数据，使得关于BSF养殖应主要作为废弃物管理服务还是高通量蛋白工厂进行优化的不确定性持续存在。厘清这些区域社会经济影响可以改进未来的经济评估。
采用标准化、可复现方法（如PRISMA）并整合利用H. illucens进行有机底物生物转化的技术、环境和经济分析的系统综述仍然缺乏。本研究旨在系统综述基于黑水虻的蛋白生产通过有机底物生物转化的当前技术现状，评估技术、环境和技术经济方面。纳入标准化方法将提高未来研究工作之间的可比性和可复现性，并解决当前的方法学空白。
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方法学
本研究遵循PRISMA 2020指南选择和分析了科学文献，并提交了完整的PRISMA清单作为补充材料。图1以流程图形式展示了系统综述过程，突出了本研究考虑的主要活动和方法学阶段。
2.1. 文献获取
为确保高质量、经同行评审的数据和稳健的引文追踪，使用Web of Science核心合集进行了系统性文献检索。2025年5月14日，查询式：TS = (“Hermetia illucens” OR “Black Soldier Fly”) AND TS = (“insect protein” OR “waste-to-protein” OR “bioconversion” OR “protein” OR “animal feed”) 返回了1888篇JCR索引的原创研究和综述文章。排除综述文章250篇。筛选排除了与BSF生产无关或缺乏底物生物转化的技术/操作、环境、经济和动物饲料视角的研究。排除非开放获取文章121篇，剩余233篇文献进行分析。根据其主要研究重点，研究被分类为技术/操作（n = 43）、经济（n = 16）、环境（n = 17）、畜禽饲料（n = 142）、生态效率（n = 9）或生物经济（n = 6）。
2.2. 技术与操作性能
主要研究重点为技术和操作性能的研究按生产规模进行分析：实验室、中试、半工业和工业规模。分析聚焦于三个主要领域：生物转化设计条件，涉及生产系统中的基础设施和昆虫福祉；操作条件，涉及昆虫环境舒适度相关因素；底物特定因素，聚焦于进行生物转化的底物，考虑理化及饲料分析特性、pH值、温度、含水量、蛋白质与碳水化合物比例以及底物来源。
2.3. 经济性能与畜禽饲料性能
该类别选定的文献通过多个标准进行分析：经济评估方法、增值产品、投资和运维成本、规模分析以及经济评估方法及其指标等。文献还考察了用蛋白产品替代畜禽饲料的情况。
生物经济
对于生物经济和动物生产技术分析，使用了成本效益分析（CBA）指标和投资回报率（RoI），比较不同养殖场类型和BSFL虫粉产品添加水平。研究人员使用饲料转化率（FCR）来比较在分析的畜禽物种中，将BSFL虫粉纳入常规日粮的效果。定量综合遵循相关指南，使用Hedges' g计算效应量。采用随机效应模型，使用逆方差法，按标准误的倒数对每项研究进行加权。限制因素包括分析纳入了H. illucens产品的多种形式以及FCR计算基础的不同，鉴于文献中标准化程度有限，这些变量被假定为恒定。
2.4. 环境评估
对26篇文献的分析显示，该类别中评估环境绩效的主要策略是生命周期评价（LCA）。每篇文献均依据ISO 14040标准的各个方面进行评估，包括LCA研究目标、边界和范围、功能单位类型、环境影响评估方法、最常评估的中点（midpoint）和终点（endpoint）指标的频率，以及生命周期清单分析方法。研究还考察了WtP-BSF系统是设计用于生产增值蛋白还是作为有机废弃物管理系统。为解释环境足迹的差异，底物按其来源分类为粮食作物、农工业副产品或固体废弃物流。
2.4.1. 生态效率
对于涉及环境和经济评估的文献，分析包括对每篇文献的逐案审查，以考察经济指标、评估方法以及每种情况的环境和经济效应。研究人员还考虑对最重要的环境影响指标进行逐案分析，以评估BSF产品的环境输出以及导致排放的背景或关键阶段。
2.4.2. 监管与安全约束
本研究基于欧洲和拉丁美洲标准，考察了未来关于BSFL虫粉作为动物饲料和人类食品的监管和安全限制，以确定未来研究领域。
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结果与讨论
3.1. 历史沿革
本节呈现了通过有机底物生物转化从BSFL生产蛋白生物质的科学研究演变的历史数据。自2017年以来观察到持续增长。该主题相关的科学具有协作性，估计有1281位不同作者，每篇文章平均有7.1位合著者。主要知识领域为农业、昆虫学、食品科学、环境科学和工程学。图2显示了WtP-BSF出版物中主要国家按发表数量和平均引用次数。欧洲国家在发表数量上占主导地位，挪威领先，拥有超过五篇文章和最高的平均引用次数。泰国紧随其后，每篇文献约140次引用。欧洲国家在发表量上的主导地位反映了欧盟监管框架的催化效应。自2017年以来WtP-BSF出版物的上升轨迹与欧盟的关键监管发展密切相关。欧盟法规2017/893和随后的2021/1372扩大了H. illucens衍生品在动物饲料中的授权使用，首先用于水产养殖，然后用于家禽和猪，这与对昆虫基蛋白和有机废弃物增值循环方法的日益增长的研究兴趣相吻合。图3展示了识别出的前十名科学来源的直方图及其文献计量特征。
3.2. 技术与操作方面
技术文献分析揭示了用于量化WtP-BSF过程性能的指标存在相当大的多样性，可大致分为幼虫性能、底物减量与生物转化效率、以及底物到蛋白质的转化。然而，具有相似目的但计算程序、单位以及鲜重或干重基础不同的指标限制了研究间的直接比较。这种方法学异质性凸显了对标准化性能指标和报告标准的需求。
3.2.1. 性能与效率参数的定义
研究人员使用多种指标来量化WtP-BSF系统的效率，这些指标评估幼虫正常发育、减少底物生物量以及将底物转化为蛋白质的能力。生长速率比其他指标更重要，因为幼虫生产通常优先考虑总生物量。对底物到蛋白质转化效率的关注较少，WtP-BSF系统需要追求这一指标。
3.2.2. WtP-BSF系统的操作性能
表3列出了三类：WtP-BSF系统的操作因素、环境条件和底物特定因素。环境条件更为标准化，因为指南和研究允许使用配方饲料饲养BSF，以及光照/黑暗循环、相对湿度和环境温度；扩展规模的困难在于其他两类。操作条件，如投喂速率和底物特性，决定了BSF幼虫发育的效率。
生物转化设计条件
投喂速率（FR）参数是平衡废弃物减量效率和生物量生产的关键操作因素。理论上，每单位幼虫估计每天消耗25–500毫克底物，取决于营养质量和其他操作因素。自2010年以来，基于相关研究，100毫克含水量60%的鸡饲料的共识FR被认为是高效幼虫生产的最佳选择。FR随底物类型以及饲料的营养质量和理化特性而变化。文献建议在扩展规模时考虑此参数，因为幼虫密度、环境条件和饲料底物特性会影响它并支持BSFL福祉。
幼虫密度指每单位面积或每单位底物质量的幼虫数量。它是影响BSF行为、生长、存活和生产力的关键因素。一般建议将密度保持在5只幼虫cm-2以下，以缓解物流和工业挑战。这一限制是因为在密集聚集中，幼虫代谢热消散缓慢，温度升至致死水平。有研究将BSFL中的脂质积累与高幼虫密度联系起来，表明较低密度（50–100只幼虫或0.31–0.62只幼虫cm-2）可以增加BSFL蛋白质含量。另一项研究发现，6.26只幼虫cm-2的密度，结合3厘米底物深度和每只幼虫0.2克干物质的FR，提高了生物量转化效率和幼虫产量。还有研究确定了2只幼虫cm-2、75%底物含水量和每只幼虫400毫克真菌废弃物饲料的最佳条件。另有报道称，1.2只幼虫cm-2的密度和每只幼虫每天163毫克底物使生产力最大化，每天每平方米产出1.1千克虫粪和59克生物量。底物微生物条件也取决于幼虫密度，研究结果表明日粮质量和幼虫密度会改变微生物群。因此，推荐促进肠球菌和乳杆菌发育的日粮。
操作条件
这些因素在BSF群体饲养中最为标准化。大多数WtP-BSF研究使用这些条件，保持相对湿度60%和温度27°C。相对湿度高于60–70%已被证明在新孵化幼虫、蛹和羽化成虫中产生高存活率。有报告称30–90%的相对湿度可促进交配和产卵。最佳发育的报告温度范围为27–35°C。该参数是人工饲养中监测最密切的参数之一，因为变化会显著影响幼虫持续时间，其范围从2周到6个月，部分取决于环境条件。成虫BSF眼睛对某些波长敏感，促使研究使用LED灯进行人工饲养。一项研究测试了不同成虫饲养条件下的不同光类型。含糖水合作用对产卵的影响大于光类型。LED光混合物在增加产卵量和产卵持续时间方面起次要作用。另一项研究评估了人造光的色温是否影响产卵，发现产卵高峰时间与最大3000 K色温之间存在正相关。还有研究通过操纵箱子与100瓦白色LED灯之间的距离，在14:10光周期下评估辐照度对繁殖的影响，在431 W m-2辐照度下获得最高繁殖成功率（70%）。一项研究发现，专为成虫BSF眼睛光敏特性设计的灯具在适合人工饲养的繁殖性能方面表现出最佳效果。
底物特性
在BSFL生产中，粒径和纤维含量都是饲养基质中的关键结构因素。减小粒径增加了营养吸收的表面积；然而，它也可能通过形成限制氧气水平的致密质地而降低幼虫增重。具体来说，小于6.36毫米的粒径可导致过度压实、更高的保湿性和介质中通气性的急剧降低，这些对幼虫发育至关重要。此外，较小的颗粒会加速所得虫粪中难消化纤维材料的积累。这种通气不良、积水的条件是仅由水果和蔬菜废弃物制成的均质农业底物的特征。为抵消这些问题，配制异质或杂食性底物有助于在粒径和结构纤维之间建立最佳平衡。纤维的结构作用直接影响底物的通气和氧合动力学。过多的纤维材料会塌陷多孔空间，阻碍空气扩散。相反，战略性地加入某些纤维组分可以增强底物的微气候。当这些结构组分平衡良好时，它们可以减少基质的水分损失，降低过高的代谢温度，提高整体废弃物减量和幼虫存活率，并最大化底物消耗。底物的结构孔隙率与含水量密切相关，一般建议保持在60%至80%之间。当水分水平接近或超过80%时，会产生双重操作瓶颈。虽然它们可以加速幼虫发育，但也使下游加工中的机械筛分和幼虫与剩余消化物的分离复杂化。另一方面，低于70%的水分水平会使基质过干，无法有效摄食，从而抑制进食并减缓幼虫生长。最佳水分范围取决于底物组成。幼虫性能在广泛的营养范围内表现出高度可塑性，包括高达37%的蛋白质浓度。一项研究发现，在含水量70%的干式、化学处理、纤维素基日粮中，平衡的蛋白质-碳水化合物比例导致最短的发育时间、最少的所需饲料和更高的存活率（57–62%）。发育时间范围为32.25至38.38天。杂食性或异质日粮、均衡日粮和适当的蛋白质比例允许幼虫获得更大的增重。鸡饲料日粮中1:2至1:3的蛋白质与碳水化合物比例，或基于Gainesville的干物质基础16%蛋白质的日粮，在配方日粮中可实现更高的幼虫产量。灰分是底物“不可食用”部分的度量。较低的灰分含量意味着更多的有机物质可供BSFL利用，从而提高生物转化效率。表3中的高变异性强调了所用底物的异质性。在半纯化和等能量日粮中，灰分水平（按原样计）范围为5%至8.3%，其中Gainesville对照日粮（灰分5.8%）实现了最佳幼虫性能。基于废弃物的底物通常具有高得多的灰分含量；随着灰分含量的增加，幼虫生物量增益趋于下降。多位作者指出，pH在调节幼虫消化系统的内部环境中起着关键作用。它显著影响饲料安全性、底物生物利用度、幼虫生长和氨排放。幼虫中肠被描述为分为三个区域：前中肠，分泌消化酶（pH = 6）；中肠，表现出溶菌酶活性（pH = 2）；后中肠，也含有消化酶（pH = 8.5）。虽然最佳底物pH范围被发现为7.4至7.7，但观察到BSFL可以耐受和处理酸性和碱性环境，而不会出现超过其饲喂方案引起的死亡率。
3.3. 经济与畜禽饲料性能
3.3.1. 经济绩效指标
在成本效益指标中，效益成本比（BCR）是源自成本效益分析（CBA）的关键参数，与投资回报率（RoI）一样，两者都衡量相对于初始投资的回报。在乌干达，用昆虫基食品（IBF）替代常规蛋白质产生了28:1的BCR和138%的RoI，证实了该行业的盈利能力。盈亏平衡点（BeP）是工业规模可行性的关键指标，结合了预计成本和收入。具体评估定义了这一财务阈值：模块化系统方面，有研究估计每公斤干生物质3.55欧元的BeP可在五年内收回投资，其模型对财务投入高度敏感，投资成本增加10%会使盈亏平衡价格提高12.44个百分点。模块化生物精炼厂方面，有研究将干燥幼虫的均衡价格设定为每公斤3.04欧元，并报告在最有利情景下回收期不到两年。事前评估方面，有研究在西非将BeP纳入生命周期评价，将其计算为生产成本与出售底物残留物收入之间的差额，并使用该值确定在联产品之间分配环境影响的经挤分配系数。
3.3.2. 目标产品或过程
在所有地区，BSFL作为畜禽饲料占主导地位，占67%。这一主导地位反映了其他目标代表了应对废弃物管理范式转变和循环经济激励的新兴策略。例如，在欧洲和中亚，目标包括利用WtP-BSF系统的副产品（如虫粪）、开发工业规模系统以及将这些系统整合到食物损失和废弃物管理中。社会经济区域根据区域特定需求研究了不同类型的畜禽。研究更大程度上聚焦于家禽饲料市场，占33%，其次是鱼类养殖、虾养殖和牛，各占17%。这一模式主要在撒哈拉以南非洲、欧洲、中亚和拉丁美洲观察到。
3.3.3. 通过实施WtP-BSF进行废弃物管理
在评估废弃物管理方案的经济绩效时，一项研究比较了营养回收策略与废弃物转化能源厌氧消化（WtE-AD）。他们发现堆肥成本约为每吨26欧元，生物转化成本约为每吨140欧元，WtE-AD成本约为每吨137欧元。联合WtE-AD和生物转化方案的成本为每吨215欧元；然而，使用预先存在的基础设施可以降低成本。另一项研究开发了使用微藻和BSF幼虫每天处理56.3吨食物废弃物的假设模型。使用净现值（NPV）分析，他们估计微藻工厂的成本约为9.48亿欧元，而BSF工厂的成本约为2300万欧元。这些估计基于微藻工厂的设备和运营成本，可能比BSF工厂高出50倍。
3.3.4. 可扩展性评估
规模经济是一个关键因素。有研究强调，如果不利用现有基础设施、政府激励措施以及将城市固体废弃物处理与畜禽养殖联系起来的综合系统，投资成本可能达到约1822万欧元，年成本为47万欧元，总收入高达198万欧元。WtP-BSF工厂的成本与饲料效率和种畜群规模正相关。建议表明，减少直接处理可以降低成本并提高饲料转化效率。此外，WtP-BSF系统中副产品的多样化可以改善现金流。一项研究通过使用生产1000公斤新鲜生物质的生物经济模型，测量每个性状提高10%时生产系统利润的增加，来估计BSFL生产中三个主要性状的经济价值（EV）。干物质含量具有最高的经济影响，贡献88.71欧元，直接反映在产品销售收入中。蛋白质含量是第二个最重要的性状，EV为67.38欧元，也直接影响收入。从孵化到收获的生长速率贡献EV为61.39欧元。更快的生长特别有价值，因为它同时降低了饲料和系统维护成本。研究还表明，提高繁殖效率可能益处较小，因为生育性状提高10%仅将维护成本降低8%。相反，它建议关注日粮，这可能对上述关键性状产生更大影响。
3.4. 幼虫产品作为畜禽饲料
在142篇关于使用BSFL虫粉替代畜禽饲料的文献和6篇关于生物经济的文献中，鱼类养殖占研究的53.3%，其次是家禽占38.2%。这一分布反映了鸟类的食虫行为及其使用BSFL替代常规饲料的潜力。图5显示了全球平均估计值。它表明，生产相同单位的畜禽产品，使用BSFL虫粉配制的饲料所需量相同或更少。因此，对于大多数为消费而饲养的动物，如鱼、家禽、蛋鸡和虾，饲料需求趋于减少或与常规日粮相当。这种转变使得日粮更具可持续性，因为BSFL实践利用营养价值较低的有机底物，无需通过常规农业种植作物。在经济表现部分，常规饲料和BSFL配制的饲料在家禽生产中都达到了2.0的相同饲料转化率（FCR）。个体研究揭示了物种间的显著差异：一项研究在肉鸡中实现了12%替代率下0.83的高效FCR，而另一项研究在珍珠鸡中记录了最高值，在完全替代（100%）下实现了6.18的FCR，与对照的表现相匹配。在鱼类生产中，数据显示平均FCR最低。一项研究报告了暹罗斗鱼在13%添加量下的最高生物效率，FCR为0.45。商业物种如非洲鲶鱼实现了与常规饲料相匹配的FCR水平——FCR为1.29。然而，使用蛹会导致更高的FCR为4.54，因为该阶段几丁质含量较高。
动物福利、人类接受度和社会经济概况
昆虫基日粮的财务可行性取决于平衡动物福利标准与生产成本。在荷兰常规和Better Life One Star系统中满足鸡肉胸肉总需求，假设活幼虫添加率为10%，需要215万吨湿重基础的原生底物。为保持竞争力并符合动物福利标准，加工和活幼虫的定价必须分别约为每吨干物质618欧元和801欧元。这种生产的经济性直接影响最终消费者，其文化接受度决定了生物转化技术的商业成功。西非关于人类消费经BSF处理的有机废弃物衍生产品的调查显示，88%的人接受用BSFL虫粪种植的蔬菜，87%的人接受用BSFL喂养的畜禽。市场验证表明，20%的消费者愿意为这些蔬菜支付1.32美元的溢价，为肉类支付1.70美元的溢价。这种消费者驱动的价值超越了个人购买，延伸到脆弱地区的社会经济发展。实施这些支付意愿框架可以刺激服务不足地区的就业创造，20年内可能产生高达7.5亿美元的收入。保守的CBA支持这一增长，显示8:1的比率和138%的RoI。实现这些财务预测需要向工业成熟度进行战略转变。要将生产扩展到盈利水平，公司必须实现规模经济、提高技术效率、标准化质量控制，并通过充分利用虫粪、提取油和几丁质等副产品来实现收入来源多样化。
3.5. WtP-BSF系统的环境评估
在审查的26篇文献中，欧洲贡献了69%的使用LCA评估环境影响的出版物。意大利有五篇文献，德国有四篇，瑞士有三篇。值得注意的是，西非和中国各有三篇文献，而坦桑尼亚只有一篇。地理特征影响情景建模的几个方面，如能源结构和废弃物管理。此外，拉丁美洲没有报告聚焦于该主题领域的研究，突显了开发符合该地区WtP-BSF系统现实情景的迫切需要。
3.5.1. 目标与范围
所审查的研究从多个角度考察了昆虫生产，突出了这一新兴技术的多功能性。LCA目标可分为五个主要类别：废弃物和副产品回收，图6中的条形图显示了不同底物组被评估的频率。虽然废弃物的有机部分占最大个体份额28%，但最大份额是价值底物，包括有价值的作物、食品工业副产品、生物技术废弃物和农工业废弃物，合计达到67%。文献表明，没有经济价值的底物，如食物废弃物，与具有内在商业价值的底物相比，会产生附加值。当目标是促进循环经济时，目的是将低价值流，如城市固体废弃物有机部分（OFMSW）和食物废弃物，转化为富含蛋白质和脂质的生物质。为畜禽生产替代蛋白，一个主要目标是评估昆虫粉作为动物饲料的可持续蛋白来源，特别是在水产养殖中作为鱼粉的替代品以及在养猪业中。主要可持续性因素取决于BSFL饲料日粮组成和昆虫生产的能源需求。当BSFL饲料被认为营养价值低时，LCA影响指标表现更好。技术与系统比较，该领域的研究比较加工技术和生产系统，以确定更高效和环境可持续的配置。这包括对屠宰、干燥和脱脂等加工方法的评估。此外，研究人员还比较了依赖野生BSF种群的开放式饲养系统与使用人工繁殖的封闭式系统。研究还探索了将BSF衍生品多样化，超越传统饲料应用。这包括创新用途，如由昆虫蛋白制成的生物塑料和配制供人类食用的昆虫脂肪，包括人造黄油。一些研究还使用生态效率和模块化生产模型整合了环境和经济标准。这种方法能够评估替代生产情景，并支持BSF基系统可持续扩展的决策。
3.5.2. 建模原则
图7和表S2揭示了归因式（attributional）生命周期方法的绝对主导地位，地理集中在欧洲和中亚，有12篇科学论文专门聚焦于BSFL生物质生产。这种明显的集中趋势与纯或组合后果式（consequential）方法的极少探索形成对比，在同一地缘政治区域分别只有一篇和两篇出版物。在东亚、太平洋和撒哈拉以南非洲等地区，科学产出仍然低且均匀。在归因式模型下，三篇论文聚焦于废弃物管理，三篇聚焦于BSFL生产，在非洲只有一项额外的关于废弃物管理的归因式研究。这一研究格局优先考虑BSFL生产而非其在废弃物管理中的直接应用，反映了昆虫在畜禽养殖中赋予的实际价值，并将焦点从WtP-BSF系统转移开。除了地理分布，科学文献揭示了评估这些系统环境影响的方法学分歧。这种概念困境定义了清单的范围和联产品的解释。建模原则的选择建立了分析的架构：归因式方法被定位为常规模型，旨在核算和描述系统当前的环境性能，设定明确的边界，并聚焦于现有影响的幅度，而不评估该过程可能在全球市场中造成的干扰。这种静态性质在多输出过程（如昆虫蛋白、脂肪和虫粪）产生时立即带来技术挑战。为应对这种多功能性，遵循归因式模型的研究人员构建其清单以准确捕获系统的物理输入和输出，并依赖基于质量、能量或经济价值的分配规则来分配环境负担。一个明确的例子是应用了模块化和归因式方法，其中价值链中的次级流根据经济和质量标准进行分配，将可持续性限制在系统本身。同样，一项研究采用了面向问题的方法，其清单基于直接从公司收集的主要数据，以反映当前运营现实。当研究设计允许时，可以避免分配；一项研究在其“门到门”LCA中证明了这一点，其中比较的开放和封闭系统之间副产品的同质性消除了细分影响的必要性。同样，有作者支持该模型在发展中国家背景下对蛋白来源进行事前环境核算的实用性。与直接质量平衡的刚性相反，后果式方法出现以评估生产水平变化的系统效应和环境后果。该模型动态分析昆虫生产和重定向废弃物流如何改变其他相互关联的经济和商业过程。这种视角的主要操作优势在于其替代和建模避免过程的能力，使得量化在市场中替代常规产品的影响成为可能。有作者通过使用ecoinvent v3.7.1后果式数据库研究将农业废弃物转向昆虫饲养的实际效果，说明了这种方法论的潜力。通过采用这种方法，他们捕获了归因式分析会遗漏的间接环境效益；例如，通过用猪粪喂养幼虫，后果式模型纳入了因避免常规废弃物处理而产生的净排放节省，并积极权衡了用所得虫粪替代合成矿物肥料。这种设计选择的差异引发了科学界关于最合适方法的持续辩论。所分析的研究表明，LCA架构塑造了结论，因为方法选择对结果有直接和决定性的影响。虽然归因式原则要求关注直接过程数据的特异性并正式划分联产品，但后果式模型实现了宏观结构分析，评估昆虫介导的生物转化如何重新配置全球废弃物管理并重新定义传统原材料的供应。
3.5.3. 影响类别与影响评估模型
图8说明了使用LCA工具实施的各种模型的频率和时间。自2016年以来，IMPACT 2002+模型使用最广泛，占应用的27%。该模型将14个中点类别组合成四个主要影响类别：资源、气候变化、生态系统质量和人类健康。ReCiPe 2008和2016自2021年以来是第二广泛使用的模型，占应用的23%。ReCiPe是最流行的方法之一，允许在中点和终点水平评估影响。环境足迹（Environmental Footprint）方法是一种更新的方法，于2023年引入，占应用的12%。欧盟委员会推荐将其用于测量和报告生命周期环境绩效。在某些情况下，未指明使用的特定模型，占11.54%的案例。此外，仅使用了IPCC气候变化指标，占应用的3.85%，以及其他新工具，如中国开发的eFootprint和PEFCR，后者聚焦于畜禽饲料生产过程的碳足迹，自2022年开始使用。文本还提到了openLCA和SimaPro等软件工具。最常用的清单数据库包括Ecoinvent、Agri-footprint和Agribalyse?。图9显示了不同类型指标及其相关损害区域的使用频率。全球变暖潜势（GWP）和富营养化指标与农业和废弃物管理实践相关，是使用最频繁的。这些指标与人类伤害密切相关。WtP-BSF系统最相关的环境影响指标如下：全球变暖潜势（GWP），以kg CO2当量衡量，是最一致使用的指标，几乎所有研究的关键焦点。富营养化（陆地、海洋、淡水），以kg PO4-当量或kg N-当量衡量，通常与饲料成分的生产和粪肥或虫粪的管理有关。陆地酸化，以kg SO2当量衡量，也与农业生产排放、使用作物作为BSFL饲料以及能源使用有关。能源使用/化石资源稀缺性，以MJ或kg石油当量衡量，该指标至关重要，因为维持受控环境条件和干燥及加工步骤需要能源。淡水和陆地环境中的生态毒性，是另一个重要指标，特别是因为作物使用、脂质提取过程中使用的化石基化学品以及电力消耗。土地利用，以Pt或m2a衡量，被确定为最相关的类别之一，特别是当土地与其他农业用途竞争时。水资源使用/水资源短缺，以立方米衡量，对底物配方及其成分的生产都很重要。
3.5.4. BSFL生物质和/或蛋白生产的环境影响
报告结果的高变异性源于目标、范围、功能单位和系统边界的差异。尽管存在这些方法学差异，文献一致认为饲养和幼虫生产过程中的化石燃料消耗驱动了最大的环境影响。多项研究强调需要管理虫粪或残余堆肥，因为潜在的氮排放，以及底物来源对整体环境概况的直接影响。对这些变量最敏感的影响类别通常是气候变化、能源使用和土地利用。在评估特定配置时，一项研究分析了处理有机废弃物的小规模模块化系统。他们报告说，生产1公斤干燥幼虫与2.77 kg CO2当量、55.24 MJ不可再生能源和0.68 m2耕地相关。这些数据表明分散模型的可行性，尽管文献中有些主张工业扩展以优化该过程的效益。在生物技术整合方案中，微藻被限制在日粮的10%以内，以避免BSFL生物质生产期间影响指标的严重增加。同时，使用OFMSW从幼虫蛋白生产生物塑料证明了在保持低环境足迹的同时使联产品多样化的可行性。因此，在BSFL生物质生产中使用低价值底物如OFMSW作为环保饲料可能是可行的。在均衡饲料配方中用BSFL虫粉替代常规成分可改善家禽和水产养殖部门的环境绩效。源自家禽或乳清的蛋白质的环境影响比昆虫或微藻源蛋白高2–5倍，鉴于昆虫加工技术仍处于早期发展阶段，这是一个显著的竞争优势。
3.5.5. WtP-BSF废弃物管理的环境影响
使用BSF可能是一种双重可持续策略，为畜禽提供饲料来源，并提供与WtE系统整合的高效废弃物管理替代
