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《昆虫学报》||生物炭如何介导微生物&黑水虻的协同作用：菌-生物炭-黑水虻互作”高效生物转化金霉素菌渣体系优化策略

时间：2025-06-12 来源：作者：

一研究背景

我国是抗生素生产和使用大国，每年抗生素菌渣总产量可达200多万t。由于提取方法的限制，菌渣中还含有1%~5%高浓度的抗生素残留和少量重金属，不当处置会造成严重的环境污染和耐药基因的传播，威胁人类健康，因此，根据2021年新版的《国家危险废物名录》，抗生素菌渣需按危险废物进行管理。
近年来，黑水虻Hermetia illucens(black soldier fly, BSF)在回收有机废物(如厨房垃圾和动物粪便)中的应用受到广泛关注。研究表明，黑水虻能够将多种有机固废转化为昆虫蛋白及优质油脂，其对基质的转化和降解主要归功于其肠道微生物。生物炭(biochar)是富含碳的物质经热裂解获得的一种富碳物质，具有多孔结构、比表面积大、官能团丰富、性能稳定等特点，作为一种绿色高效的污染物吸附剂已得到广泛应用。研究发现，生物炭具有吸附抗生素的潜力。
Xiao等的研究表明，在鸡粪中加入枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis与黑水虻幼虫进行共转化，鸡粪的减量率增加13.4%，虫体重量增加了15.9%。我们前期的研究表明，贝莱斯芽孢杆菌Bacillus velezensis EEAM 10B通过改变肠道微生物群和代谢通路，增强了黑水虻的营养代谢过程，使幼虫的基质转化率、平均干重和蛋白质含量分别提高了5%, 0.13 g/头和8%。然而，利用“菌-生物炭-黑水虻互作”转化体系的相关报道仍较为匮乏。因此，本研究采用不同基质配比、黑水虻幼虫接入密度、生物炭和功能微生物组合策略，通过表征黑水虻幼虫的生长发育指标和基质转化指标以及金霉素去除率，构建高效“菌-生物炭-黑水虻互作”转化体系，为我国制药企业提供科学有效的抗生素菌渣处置新思路。
二材料与方法
供试昆虫及饲养：黑水虻虫卵由河南农业大学繁育中心提供并孵化，室内温度为30 ℃、相对湿度约为70%、光周期设定16L︰8D，虫卵孵化后在麦麸中饲养至3龄幼虫。菌种：斯氏普罗威登斯菌Providencia stuartii TX2、肺炎克雷伯菌Klebsiella pneumoniaeTX1、贝莱斯芽孢杆菌EEAM 10B，均为课题组前期从黑水虻肠道中分离。
将160头黑水虻3龄幼虫置于40 g干重基质(金霉素菌渣︰秸秆=1︰4)的养殖盒中，添加120 g/kg的生物炭，分别接入斯氏普罗威登斯菌TX2、肺炎克雷伯菌TX1、贝莱斯芽孢杆菌EEAM 10B及这3种菌的混合菌液(Mixture)，接种浓度均为1.0×10⁹cfu/g，接虫后每2 d从每个饲养盒中随机挑选10头幼虫，统计不同处理下黑水虻幼虫的体重、体长、体宽、基质消耗率和基质转化率，第8天测定最优组基质中的金霉素去除率。接虫8 d后将虫和物料分离，物料立即冷冻处理，幼虫放入空的密封袋中排空肠道24 h后再进行冷冻处理。
三结果与分析
2.1最优基质配比
为了探究最优基质配比，将黑水虻幼虫分别在不同基质配比中饲养8 d。结果显示，N(1︰20), W(1︰12)和E(1︰8)组的体重、体长和体宽显著高于对照组[CK(0︰1)](P<0.05)(图1: A-C)，而F(1︰4)和T(1︰2)组体重、体长和体宽显著低于对照组(P<0.05)(图1: A-C)，其中，W(1︰12)组的幼虫生物量增加量最明显(图1: A-D)。W(1︰12)组的基质消耗率（饲养4 h时除外）(图1: E)、基质转化率(图1: F)和基质中的金霉素去除率(~69%)在所有组别中也最高。上述结果表明，金霉素菌渣与秸秆基质配比在1︰12时为最优。

图1 混合基质配比对黑水虻幼虫体重(A)、体长(B)、体宽(C)和形态(D)以及基质消耗率(E)和基质转化率(F)的影响

2.2最佳幼虫密度
在金霉素菌渣与秸秆基质配比1︰12的条件下，进一步研究了幼虫密度对黑水虻生长和金霉素降解的影响。S(0.6︰1)组和E(0.8︰1)组的黑水虻在饲养8 d后，其体重、体长、体宽和形态大小均表现出明显优势(图2: A-D)；且两者生物量基本一致，表明此时的食物量和空间有利于幼虫的生长发育。然而，饲养8 d时F组(4︰1)的基质消耗率(图2: E)和基质转化率(图2: F)显著高于其他组别(P<0.05)(图2: E, F)，与S(0.6︰1)组和E(0.8︰1)组相比，分别提高了16.27%~17.17%和10.74%~13.32%。F组处理基质中的金霉素去除率(75.56%)显著高于其他处理组(P<0.05) ，综合上述结果，幼虫与基质的比例4︰1为最佳幼虫接入密度。

图2 幼虫密度对黑水虻幼虫体重(A)、体长(B)、体宽(C)和形态(D)以及基质消耗率(E)和基质转化率(F)的影响

2.3最优生物炭添加比

由于S(0.6︰1), W(1︰12)组和E(1︰8)组的基质配比无法满足转化大量抗生素菌渣的需求，而T(1︰2)组中的金霉素菌渣含量过高导致黑水幼虫大量逃逸，F(1︰4)组幼虫的生长与对照组无明显差异且未出现严重逃逸。因此，选择金霉素菌渣与小麦秸秆的比例为1︰4进行后续研究。在确定最佳基质配比(1︰4)和幼虫接入密度(4︰1)后，本研究进一步探讨了生物炭添加量对水虻转化菌渣、秸秆和降解金霉素的影响。与未添加生物炭的对照组（B-0）相比，添加生物炭组幼虫的生长发育和基质转化指标明显增加(图3: A-F)，其体重、体长、体宽、基质消耗率和基质转化率分别增加了(0.67~0.89) g/10头, (1.83~4.03) mm, (0.3~0.7) mm, 11.88%~13.85%和5.88%~11.65%(图3: A-F)。不同生物炭添加量(0, 30, 60, 90, 120, 150和180 g/kg)下，B-0, B-30, B-60, B-90, B-120, B-150和B-180组8 d后的基质金霉素去除率分别为26.32%, 49.70%, 61.81%, 74.70%, 80.59%, 78.32%和78.73%。120-180 g/kg的生物炭添加量下，幼虫的体长、体重和体宽差异显著(P<0.05), 但基质中金霉素去除率无显著差异(P>0.05)（图3: A-F; 图6）。此外，B-120组的基质消耗率和转化率显著高于其他实验组(P<0.05) (图3: E, F)。上述结果表明，生物炭的添加明显促进了黑水虻幼虫的生长，且B-120组幼虫生长及对基质中金霉素的降解方面具有明显优势。因此，最优生物炭添加比例为120 g/kg。

图3幼虫肠道微生物对黑水虻幼虫体重(A)、体长(B)、体宽(C)和形态(D)以及基质消耗率(E)和基质转化率(F)的影响

2.4最优“菌-生物炭-黑水虻互作”体系

同时添加120 g/kg生物炭和不同肠道功能菌均明显促进了黑水虻幼虫的生长发育、基质转化及金霉素去除(图4: A-F)。其中，TX2+B组别中的幼虫促生作用最为明显。饲喂8 d后，与CK+B组相比，TX2+B组幼虫体重、体长、体宽、基质消耗率、基质转化率分别提高了0.31 g/10头, 1.97 mm, 0.8 mm, 6.98%和7.69%(图4: A-F)。此外，TX2+B组基质中的金霉素去除率达到96.23%，也显著高于CK+B和CK组（P<0.05）。上述结果表明，“斯氏普罗威登斯菌TX2-生物炭-黑水虻互作”体系能够有效促进基质向动物蛋白的转化并同时有效去除基质中的金霉素。

图4“菌-生物炭-黑水虻互作”体系对黑水虻幼虫体重(A)、体长(B)、体宽(C)和形态(D)以及基质消耗率(E)和基质转化率(F)的影响

四结论
本研究通过构建和优化“菌-生物炭-黑水虻互作”高效抗生素菌渣生物转化体系，不仅将两种有机固废物转化为高值昆虫蛋白和有机肥料，同时消解了基质中的金霉素。该研究为我国抗生素生产企业提供了菌渣无害化处理的新思路及理论依据，助力经济的绿色发展，落实习近平总书记倡导的“大食物观”。然而，本研究仍存在一些不足之处，未来可进一步优化和深入探讨，包括：(1)采用响应面优化方法，以获得更优的基质转化条件；(2) 构建“无菌幼虫体系”和“单菌幼虫体系”，以精准探究斯氏普罗威登斯菌TX2与幼虫之间的互作机制；(3)通过宏基因组学、宏转录组学及代谢组学等多组学联用，深入研究最优策略下“菌-生物炭-黑水虻互作”生物反应器的作用机制；(4)通过测定转化后虫沙的营养成分、抗生素抗性基因(antibiotics resistance genes, ARGs)及可移动遗传元件(mobile genetic elements, MGEs)的丰度，进行生态毒理性分析，以评估“菌-生物炭-黑水虻互作”体系的应用潜力及生态安全性。
原文链接：http://www.insect.org.cn/CN/10.16380/j.kcxb.2025.04.007
编辑/黄治宏

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