黄粉虫的生物降解功能研究进展

陈建兴，郭 成，李 静，萨如拉，李 皓，石 萱，任 斌

（赤峰学院 生命科学学院，内蒙古 赤峰 024000）

黄粉虫(Tenebrio molitor L.)是昆虫纲、鞘翅目、拟步甲科、粉甲属的一个物种，原为一种广布于世界各地的仓库和贮藏害虫，现已被人工驯化并可进行高度集约化、大规模工厂化养殖[1,2].但由于黄粉虫营养成分高，因此，早期用其作为蛋白质饲料应用于养殖业，这一作用持续至今已经历了相当长的时期.现如今，黄粉虫利用价值极其广泛，已在饲料、食品、化工、保健品、医药和化妆品等领域得到广泛应用[3-6].

黄粉虫适应能力和生存能力极强，对生长环境质量要求低，其幼虫食性杂，耐粗饲，可取食玉米粉、麦麸、米糠，甚至树叶、树皮以及牛皮纸等纤维素含量高的材料.因黄粉虫对恶劣生活环境的适应性极强，可用其处理农业废弃物以及有机生活垃圾.黄粉虫生物降解这一功能的发现和利用，对推动绿色、循环、低碳发展，形成节约资源、保护环境的生产生活方式和生态文明建设具有重要意义.

笔者对黄粉虫的生物降解功能以及黄粉虫在环境保护（包括白色垃圾、餐厨垃圾、畜禽粪便、秸秆和浮萍处理等）等领域的应用研究进展进行了综述，并对黄粉虫的应用前景进行了展望.

1 黄粉虫的生物降解功能

1.1 白色垃圾

废旧塑料由于具有高度的化学惰性，不易被微生物分解，形成威胁到生态环境的“白色污染”.目前，白色垃圾污染问题非常严峻.处理废弃塑料的主要方法有填埋法、焚烧法、化学处理法等.各处理方法中，填埋法占用土地，没有根本解决塑料污染问题，而且塑料在土壤中需要400年才能降解；焚烧法虽然彻底，但是塑料焚烧过程中所产生的有毒气体二噁英具有致癌、致畸的危害，同时影响人体正常的内分泌代谢，降低人体免疫力，并引发各种疾病，严重危害人类身体健康[7]；化学法费用高并产生二次污染.可见目前的常用处理方法都存在各自的不足之处，如何更科学地治理白色污染问题是科学家们探讨的热点问题.

陈重光（2005）最早报道了关于黄粉虫吃塑料的现象[8].苗少娟（2010）研究了大麦虫幼虫对不同塑料制品的喜食情况，并对幼虫取食塑料后的排泄物进行了相关分析，为探明大麦虫对塑料的取食降解提供了一定的基础[9].沈叶红（2011）通过采用多种培养基，分离鉴定了黄粉虫肠道菌，从不同角度初步研究了黄粉虫降解塑料的机理，还通过急性和慢性毒性试验研究黄粉虫取食塑料后的生理毒性[10].徐世才（2013）研究了黄粉虫在不同饲料比例（泡沫和麸皮）下的泡沫降解率[11].Yang Yu（2015）等人的报道是北京航空航天大学和斯坦福大学研究团队共同完成的，他们发现100条黄粉虫每天可以吞食34至39毫克的聚苯乙烯塑料，这些塑料在黄粉虫肠道内停留不到24小时，其中约48%被降解成二氧化碳，小部分被吸收.研究还表明，以聚苯乙烯为食的黄粉虫与对照组的黄粉虫一样健康，其排泄物也正常[12].黄粉虫肠道微生物在塑料分解过程中起到决定性作用，而且Yang Yu他们首次从黄粉虫肠道中分离出一株可以利用聚苯乙烯作为唯一生长营养物的细菌[13].张可（2017）对黄粉虫取食和消化降解PE塑料薄膜进行了研究，发现黄粉虫能够取食和完全消化降解塑料薄膜[14].许诗杰和张雅林研究了黄粉虫取食聚苯乙烯和线性低密度聚乙烯塑料时的生长发育情况，认为仅取食这两种塑料会影响黄粉虫的发育和繁殖能力，而通过添加麦麸可以减少这种影响[15].

1.2 餐厨垃圾

餐厨垃圾含水量高(80-90%)、有机质含量丰富(干物质的93%，主要包括淀粉类、动植物油脂类和食物纤维类等)、极易腐烂变质、散发臭味，孳生蚊蝇，除对周围环境卫生造成严重影响外，还存在各种安全隐患.餐厨垃圾的产生量十分巨大，随着社会经济发展和人们生活水平提高，这一产量呈快速增长趋势.因此，减量化、无害化、资源化处理餐厨垃圾的问题已是迫在眉睫.目前，利用昆虫的腐食性取食行为处理加工过的餐厨垃圾，即通过昆虫的“过腹”转化处理，是一条经济可行且安全的技术途径[16].黄粉虫幼虫食性杂、生命力强、转化率高，对生长环境质量要求低，在农业有机废弃物的转化过程中发挥着重要的作用，且目前黄粉虫已经实现了大规模工厂化生产方式，形成了完善的产业链结构.因此，利用黄粉虫处理餐厨垃圾是切实可行的.陈美玲等研究发现黄粉虫在26.7℃，饲料含水量14.5%，饲养密度4.1只/cm2的饲养条件下，对餐厨垃圾的处理具有较好的效果[16].

1.3 畜禽粪便

畜禽粪便的大量堆积和不合理排放，不但制约畜牧养殖业的可持续发展，还对周边地区造成严重的环境污染[17].畜禽粪便的无害化处理和资源化利用业已成为社会普遍关注和急需解决的焦点问题[18].曾祥伟等探讨了黄粉虫转化与利用牛粪的可行性，认为黄粉虫3龄幼虫对EM发酵牛粪（牛粪含量60%）作为饲料表现出良好的适应性，对牛粪的资源化利用具有较好的应用前景[19].孙国峰的研究报道表明，EM厌氧发酵处理鹌鹑粪便后可用于饲养黄粉虫[20].熊晓莉等采用EM菌发酵处理后的鸡粪饲喂黄粉虫，认为鸡粪的添加量宜低于55wt%，随鸡粪比例增加，重金属在虫体内无明显富集[21].陈建兴等进行了黄粉虫采食和分解驴粪的研究，认为驴粪可以作为黄粉虫的饲料，驴粪占饲料量的30%时，黄粉虫对驴粪的分解处理能力最强[18].

1.4 秸秆

近年来，过剩秸秆焚烧对民航、交通等部门造成严重影响，也使环境受到了污染，这使得秸秆的利用问题变得突出.徐世才等研究了含有玉米秸秆的混合饲料和青菜叶对黄粉虫生长发育的影响，认为混合饲料中玉米秸秆、麦麸和玉米各占三分之一时，黄粉虫各项生长发育指标均较理想，并且对秸秆的利用率较高[22].骆伦伦比较了秸秆种类和处理方式对黄粉虫幼虫生长发育的影响，测定了黄粉虫幼虫取食玉米秸秆、水稻秸秆和麦麸后的相关消化酶活性、海藻糖含量以及肠道微生物的多样性，结果发现黄粉虫幼虫对玉米秸秆的平均取食量和虫粪量均显著高于其它秸秆；玉米秸秆不同发酵方式处理中，黄粉虫幼虫体重变化存在明显差异；秸秆种类对黄粉虫蛋白酶活性和海藻糖含量具有显著影响；不同秸秆对黄粉虫幼虫肠道微生物群落有显著影响[23].吕树臣等研究了不同水平发酵玉米秸秆对黄粉虫幼虫生产性能的影响，认为发酵玉米秸秆的最佳添加水平为40%[24].

1.5 浮萍

浮萍生长于水池、沼泽、水田或静水水域，具有体积小、繁殖快、营养价值高、能有效吸收污水中的氮磷元素等特点[25].但我国近年来，因为各地水体富营养化严重，发生了浮萍过度繁殖而引起水体二次污染的情况.卓少明和刘聪的研究发现，浮萍属植物与麦麸以不同比例混合饲喂黄粉虫，实验组和对照组的增重情况相近[26]，表明可以利用黄粉虫的生物降解功能来有效控制和利用浮萍.郑燕玲等测试了添加不同量浮萍对黄粉虫幼虫生长发育及各项营养成分含量指标的影响，认为鲜浮萍和麦麸质量比为65%：35%时，可既不影响黄粉虫的饲喂周期、产量和质量，又能显著降低养殖成本[27].王清春等为探索浮萍利用的新途径，解决浮萍在污水中引起的二次污染现象，将浮萍烘干磨碎与麦麸以不同比例混合饲喂黄粉虫幼虫，同时以浮萍替代豆饼以白菜、麦麸、浮萍(10：4：1)混合饲喂成虫，发现 50%浮萍饲喂幼虫各指标与对照组差异不显著，而成虫的饲喂实验中，成虫的产卵量和寿命均高于对照组[28].

2 展望

综上所述，用以上环境废弃物养殖黄粉虫既可以降低养殖成本，又可以将废弃物和污染物转化为人类可利用的资源，还可以解决资源浪费和环境污染的问题.黄粉虫是继家蚕、蜜蜂后又一个极可能被产业化开发的昆虫种类，目前国内关于黄粉虫的研究热点还是在其饲用和食用方面的应用，对其处理白色垃圾、餐厨垃圾、畜禽粪便、秸秆和浮萍方面的研究在国内也只是慢慢起步，尚处于探索阶段.对未来利用黄粉虫的生物降解功能在环境保护方面方面仍然需要继续深化基础和应用研究.以后的研究可在一下三方面进行：(1)研究其余环境废弃物能否用于黄粉虫养殖；(2)从配方上优化，以全面发挥黄粉虫的生物降解功能；(3)加强监测黄粉虫取食这些废弃物后有毒有害物质是否富集，以确保饲料和食品安全.

参考文献：

〔1〕刘玉升,王付彬,崔俊霞,等.黄粉虫资源研究利用现状与进展[J].环境昆虫学报,2010,32(1)：106-114.

〔2〕陈建兴,萨如拉,李静,等.黄粉虫纤溶酶基因生物信息学初步分析[J].赤峰学院学报,2016,32(7)：5-7.

〔3〕Jin XH,Heo PS,Hong JS,et al.Supplementation of Dried Mealworm(Tenebrio molitor larva)on Growth Performance,Nutrient Digestibility and Blood Profiles in Weaning Pigs[J].Asian Australas J Anim Sci,2016,29(7)：979-986.

〔4〕Zhao X,Vázquez-Gutiérrez JL,Johansson DP,etal.Yellow Mealworm Protein forFood Purposes-Extraction and Functional Properties[J].PLoS ONE,2016,11(2)：e0147791.

〔5〕Zheng LY,Hou YF,Li W,et al．Exploring the potential of grease from yellow mealworm beetle(Tenebrio molitor)as a novel biodiesel feedstock[J].Appl Energ,2013,101(1)：618-621.

〔6〕熊晓莉,陈小蓉,邵承斌,等.黄粉虫壳聚糖处理养殖废水[J].环境工程学报,2016，10(3)：1475-1479.

〔7〕杨永滨,郑明辉,刘征涛.二恶英类毒理学研究新进展[J].生态毒理学报,2006,1(2)：105-115.

〔8〕陈重光.黄粉虫可消化有机塑料的发现[J].科学24 小时，2005，(2)：25-26.

〔9〕苗少娟.大麦虫Zophobasmorio生物学特性及其对塑料降解作用的研究[D].西北农林科技大学，2010.

〔10〕沈叶红.黄粉虫肠道菌的分离和取食塑料现象的研究[D].华东师范大学，2011.

〔11〕徐世才,唐婷,闫宏,刘小伟.黄粉虫在不同饲料比例下的泡沫降解率研究 [J].环境昆虫学报,2013,35(1)：90-94.

〔12〕Yang Yu,Yang Jun,Wu Wei-Min,Zhao Jiao,Song Yiling,et al.Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms：Part1.ChemicalandPhysical Characterization and Isotopic Tests[J].Environ.Sci.Technol.,2015,49 (20),pp 12080-12086.

〔13〕Yang Yu,Yang Jun,Wu Wei-Min,Zhao Jiao,Song Yiling,et al.Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms：Part 2.Role of Gut Microorganisms.Environ.Sci.Technol.,2015,49(20),pp 12087-12093.

〔14〕张可,胡芮绮,蔡珉敏,等.黄粉虫取食和消化降解PE塑料薄膜的研究 [J].化学与生物工程,2017,34(4)：47-49.

〔15〕许诗杰,张雅林.取食塑料的黄粉虫生命特征研究[J].西北农林科技大学学报,2018,46(7)：1-7.

〔16〕陈美玲,凌源智,黄儒强,等.响应面法优化黄粉虫幼虫处理餐厨垃圾饲养条件的研究[J].环境工程学报,2015,9(5)：2455-2461.

〔17〕贾永全,韦春波,陈晓鸥.大庆市畜禽粪便处理与利用状况的分析研究 [J].应用生态学报,2009,30(4)：106-109.

〔18〕陈建兴,萨如拉,李静,等.驴粪作为黄粉虫饲料的研究[J].赤峰学院学报,2017,33(9)：9-11.

〔19〕曾祥伟,王霞,郭立月,等.发酵牛粪对黄粉虫幼虫生长发育的影响 [J].应用生态学报,2012,23(7)：1945-1951.

〔20〕孙国峰,戎安江,向钊.发酵鹌鹑粪便饲养黄粉虫的研究[J].畜禽业,2010(2)：40-42.

〔21〕熊晓莉,邵承斌,李宁,等.黄粉虫处理鸡粪[J].环境工程学报,2013,7(11)：4564-4568.

〔22〕徐世才,刘小伟,王强,等.玉米秸秆发酵制取黄粉虫饲料的研究[J].西北农业学报,2013,22(1)：194-199.

〔23〕骆伦伦.秸秆对黄粉虫生长发育、消化酶和肠道微生物的影响[D].浙江农林大学，2017.

〔24〕吕树臣,王春清,马铭龙,等.发酵玉米秸秆对黄粉虫幼虫生产性能的影响 [J].畜牧与兽医,2013,45(5)：42-44.

〔25〕侯文华,宋关玲,汪群慧.浮萍在水体污染治理中的应用[J].环境科学研究,2004(17)：70-73.

〔26〕卓少明,刘聪.几种废弃物作添加料养殖黄粉虫的试验[J].中国资源综合利用,2009,27(9)：17-19.

〔27〕郑燕玲,赖锦洪,杨靖,等.浮萍饲喂黄粉虫的效益分析[J].草业科学,2015,32(03)：458-463.

〔28〕王清春,刘玉升,方加兴.饲喂浮萍对黄粉虫生长发育及繁殖的影响[J].环境昆虫学报,2017,39(3)：667-672.