《Journal of Cleaner Production》：Linking waste recycling and sustainable agriculture: Phytohormone-rich biofertilizer from black soldier fly frass
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黑 soldier fly幼虫粪便作为生物肥料，其植物激素组成被系统研究。比较豌豆和豆类废料生物转化发现，豆类废料粪便含更高IAA和细胞分裂素，而豌豆废料渗出液富含t-zea和IP。幼虫自身也检测到这些激素，显示微生物与基质交互作用。昆虫介导的生物转化显著提升粪便激素含量，使其兼具营养与植物生长调节功能。
莫妮卡·卡佐尔（Monika Kaczor）|皮奥特·布拉克（Piotr Bulak）|皮奥特·瓦利戈尔斯基（Piotr Waligórski）|安杰伊·比加诺夫斯基（Andrzej Bieganowski）
波兰科学院农业物理研究所，多夫希亚德恰纳街4号（Do?wiadczalna 4），卢布林，20-290，波兰
摘要
通过生物转化过程获得的有机肥料是可持续和更清洁的农业生产系统的关键组成部分。其中，昆虫粪便因其丰富的营养成分、有益的微生物群以及促进植物生长的特性而成为一种有前景的生物肥料。然而，由黑水虻（Hermetia illucens）幼虫产生的粪便中的植物激素组成尚未得到充分研究。本研究全面评估了黑水虻粪便及其从豌豆（PW）和豆类（BW）种子废弃物中通过生物转化产生的渗滤液中的三种主要植物激素。这两种基质都支持了幼虫的有效发育，其中豆类粪便中的吲哚-3-乙酸、与压力相关的激素以及细胞分裂素的总量较高，而豌豆渗滤液中的反式玉米素、顺式玉米素和IP的含量也较高。在幼虫体内也检测到了IAA和某些细胞分裂素，这表明昆虫、微生物群和基质之间存在代谢相互作用。总体而言，我们的发现表明，与仅通过微生物群分解相比，黑水虻介导的废弃物生物转化能够更好地改善粪便中的植物激素组成，从而增强了其作为多功能、环保生物肥料的潜力。这种方法展示了昆虫生物转化如何在可持续生产系统中为农业废弃物增添功能价值。
引言
近年来，由于人类人口的增长导致对饲料和食品蛋白需求的持续增加，昆虫养殖得到了促进（van Huis等人，2025年）。昆虫是蛋白质的重要来源，主要用于喂养牲畜、水产养殖或某些家养宠物（Zou等人，2024年）。黑水虻（Hermetia illucens，双翅目：Stratiomyidae科，林奈1758年）就是一个在工业规模上养殖的昆虫例子。从经济和环境角度来看，昆虫养殖有许多优势：与其他牲畜养殖相比，它产生的温室气体较少（van Huis和Oonincx，2017年），所需水量较少，其食物基质可以是生物废弃物，并且所需的养殖面积也小得多（由于幼虫笼可以堆叠在一起）（Spykman等人，2021年）。此外，在适当的维护和管理下，黑水虻的生产可以高度可持续且几乎不产生副产品（Purkayastha和Khanal，2024年）。这种昆虫在其发育的任何阶段都可以用于其他技术应用：幼虫和蛹主要用作动物饲料以及蛋白质和脂肪的来源（Kawasaki等人，2019年）；苍蝇及其蛹壳（puparia）可用于提取几丁质（Triunfo等人，2022年）；或者以原始形式用作生物吸附剂（B?k等人，2024年）。蛹壳还可以用于生产生物炭（Bulak等人，2023年）。此外，这种养殖还会产生粪便，即幼虫所食用基质的残留物、它们的排泄物以及死亡个体，以及生活在幼虫体内和体表的整个微生物群（Schmitt和de Vries，2020年）。与粪肥类似，粪便是一种天然肥料，因此可以用作土壤添加剂，这得益于其较高的大量和微量营养素含量（Kaczor等人，2025年；Lomonaco等人，2024年）以及积极的微生物群负荷（Nurfikari等人，2024年）。尽管人们对粪便作为肥料的研究兴趣日益增加，但迄今为止对其植物激素含量的研究还不够广泛，对这些化合物存在的了解也非常有限（Lopes等人，2025年）。植物激素是有机化合物，在非常低的浓度下就能对植物产生作用（Asami和Nakagawa，2018年）。它们能够调节植物在其发育每个阶段的形态和生理过程。植物激素还负责植物的适应性，使植物能够在非生物（例如天气变化）或生物（例如害虫侵袭）压力下作出反应（Bari和Jones，2009年）。最近，气候变化的加剧对植物群落产生了非凡的影响。例如干旱期或相反的频繁暴雨，这些都会直接影响植物的地上部分，同时也导致土壤性质的变化，从而影响整个植物。所有这些都需要植物迅速反应以适应和调整到当前的条件（Janni等人，2023年）。农业也必须应对气候变化，以便获得最大和最肥沃的产量，并尽量减少可能的损害和损失。因此，如果昆虫粪便中含有刺激植物生长的植物激素，如生长素和细胞分裂素，它不仅可以作为天然肥料，还可以作为刺激剂，促进植物生长并减轻环境压力。
豆类，如豆子、豌豆、扁豆和鹰嘴豆，是重要的年度农作物，主要因其富含蛋白质的种子（20-40%）而被种植（Haque等人，2016年），同时还提供额外的营养素，包括纤维、B族维生素、矿物质和抗氧化剂（Maphosa和Jideani，2017年）。食用豆类可以减少饱和脂肪的摄入，而饱和脂肪与血液胆固醇升高和生活方式相关疾病的风险有关（Mitchell等人，2009年）。豆类通过与固氮根瘤菌（尤其是Rhizobium属）的共生关系来提高土壤肥力，这些细菌将大气中的N2转化为植物可利用的形式（Kebede，2021年），从而支持可持续农业，并通过轮作来提高土壤肥力和结构（Graham和Vance，2003年）。
根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，2022年全球豆类产量约为96亿吨，预计到2032年将增加到1.25亿吨（FAO，2023年）。然而，在加工过程中，尤其是在清洁、分选和研磨过程中，会产生废弃物，这些废弃物可能占总重量的5%到25%（Karaca和Nickerson，2022年）。这些低质量的废弃物，尤其是被霉菌毒素污染的废弃物，必须从生产周期中移除并妥善处理，例如在受控条件下焚烧，这会导致经济损失和额外成本（Chen等人，2020年）。另一方面，营养价值高的废弃物应该以更环保的方式进行处理，减少其生物量并重新利用。一种方法可能是使用黑水虻（H. illucens）幼虫进行生物转化。
尽管人们对黑水虻粪便作为土壤改良剂的兴趣日益增加，但其植物激素组成仍很大程度上尚未被研究（Barragan- Fonseca等人，2022年；Lopes等人，2025年）。据我们所知，只有一项研究直接量化了黑水虻粪便中的植物激素（Green，2023年）。这一空白很重要，因为植物激素即使在微量浓度下也能调节植物的生长和应激反应，这意味着粪便不仅可以通过营养成分和微生物输入影响作物，还可以通过类似生物刺激剂的激素效应产生影响。
因此，本研究旨在通过分析从豌豆和豆类种子废弃物中通过幼虫生物转化产生的粪便中的主要植物激素类别来填补这一空白。我们还分析了粪便渗滤液以及没有幼虫的基质作为对照。为了更好地评估幼虫对其含量的影响，也在没有幼虫的基质中进行了植物激素的分析。在本研究中，我们分析了吲哚-3-乙酸（IAA）、脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、反式玉米素（t-zea）、二氢玉米素（dh-zea）、顺式玉米素（c-zea）、反式玉米素核苷（t-zea rib）、二氢玉米素核苷（dh-zea rib）、顺式玉米素核苷（cis-zea rib）、异戊烯基腺嘌呤（IP）、激动素、激动素核苷以及邻位和间位拓扑素。这项研究提供了关于黑水虻粪便、粪便渗滤液和幼虫中存在多种植物激素的新知识。
实验设置
实验使用从波兰卢布林农业物理研究所进行的黑水虻（Hermetia illucens）幼虫进行的。为了标准化实验中使用的幼虫大小，它们用直径为1毫米的筛子进行了筛选。在将幼虫转移到实验基质之前，将它们放在一个空盒子里24小时以清洁肠道。
实验基质为豌豆（PW – 豌豆废弃物）和豆类（BW – 豆类废弃物）
废弃物生物转化后幼虫和养殖副产品的产量
在新鲜重量（FW）和干重量（DW）基础上，黑水虻（BW）和豌豆（PW）粪便的产量有显著差异（图1）。黑水虻粪便的新鲜重量为254.41克，干重量为48.62克，分别比豆类粪便高2.17倍和2.49倍。对照组（没有幼虫的微生物分解）在两种基质之间的残留质量相似，平均分别为343.33克和58.08克，没有统计学差异（图1）。黑水虻和豌豆粪便渗滤液之间没有差异，平均分别为46.83克和1.32克（图1）。
幼虫新鲜
废弃物生物转化后幼虫和养殖副产品的产量
幼虫的生物转化导致豌豆粪便的产量高于豆类粪便（无论是干重量还是新鲜重量）（图1），这也反映了黑水虻幼虫对豌豆的利用能力较低。豆类废弃物减少得更多，这表明幼虫对这种基质的吸收和消化能力更强。这可能表明豆类对幼虫的营养价值较低，可能导致
结论
豆类（BW）和豌豆（PW）种子废弃物支持了幼虫的正常发育和生长，表明这两种基质都适合黑水虻（Hermetia illucens）。幼虫残留物——粪便和渗滤液——含有较高浓度的各种植物激素。豆类废弃物中的植物激素浓度通常高于豌豆废弃物，尽管豌豆渗滤液在某些植物应激激素和细胞分裂素方面相对丰富。这些结果表明，黑水虻粪便不仅具有丰富的营养成分
作者贡献声明
莫妮卡·卡佐尔（Monika Kaczor）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、调查、数据分析、概念化。皮奥特·布拉克（Piotr Bulak）：撰写——审稿与编辑、验证、方法学、数据分析、概念化。皮奥特·瓦利戈尔斯基（Piotr Waligórski）：方法学、调查。安杰伊·比加诺夫斯基（Andrzej Bieganowski）：撰写——审稿与编辑、验证、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
