直接利用未经处理的食品废弃物来饲养黑水虻幼虫

《Journal of Environmental Management》：Direct utilization of unprocessed food waste for black soldier fly larvae rearing

　　

郭建来|李玉婷|焦明辉|史慧斌|李军|王先伟|张伟贤|关凯|李振天|焦西兰|刘坤

河南省畜牧经济大学健康养殖与畜禽高效繁殖重点实验室，中国郑州，450046

摘要

传统的食物废弃物（FW）管理通常依赖于三相分离预处理，将原始废弃物分为固体、油和液体部分以便后续处理和资源回收，但这也会增加设备需求、能源消耗和操作复杂性。在这里，我们研究了通过黑水虻幼虫（BSFL）直接生物转化未经处理的食品废弃物（UFW）来绕过预处理的可行性。比较了四种底物组：三相分离残渣（TR）、UFW与粪便混合（WR）、UFW的固体部分（SR）以及UFW的液体部分与粪便混合（WM）。通过结合生长评估、16S rRNA测序和非靶向代谢组学，我们研究了幼虫如何适应这些不同的物理化学环境。WR组的生长表现接近优化的TR基准，同时保持了强大的减废能力，表明直接转化整个废弃物可以在不进行机械均质化的情况下仍然有效。多组学分析进一步显示，肠道生态系统在应对特定底物限制时发生了积极的变化。在WR中，Turicibacter和Bacilli的富集与一种协同的防御-消化模式相关，这可能有助于有效利用底物。在SR中，Pseudomonas的富集与代谢重编程和脂质积累增加有关，从而产生了脂肪和月桂酸含量较高的幼虫。相比之下，WM的表现较差，显示出与强化脂质处理需求相一致的应激适应代谢特征。总体而言，直接生物转化整个食品废弃物是一种有效的策略，可以绕过复杂的预处理过程，而WR模型可能提供一种简化且潜在输入较低的食品废弃物增值途径。

引言

全球经济的增长导致了食品废弃物（FW）产生的迅速增加。例如，全球食品行业每年产生约25亿吨废弃物（UNEP，2022年），仅中国就贡献了超过1.3亿吨（Guo等人，2019年）。由于其高水分含量和易降解的有机物，如果未经处理，食品废弃物极易迅速变质和微生物繁殖，从而带来潜在的环境卫生和病原体相关风险（Fontaine等人，2026年）。

为了应对这些挑战，业界主要依赖三相分离技术，这是一种专门设计的预处理技术，用于将原始的、异质的FW分为三个不同的流：固体残渣、油脂和液体（Deng等人，2023年；Zhao等人，2024年）。操作上，该过程首先进行前端均质化，如破碎、制浆和去除无机杂质，然后通过基于密度的离心分离。得到的各部分随后被引导到专门的下游处理路线，包括厌氧消化、生物柴油生产和废水处理（Chen和Yin，2023年；Li等人，2022年；Wang T.等人，2024年）。因此，这一步骤不仅是一个脱水过程，还是将复杂废弃物重新分配为标准化、易于处理的组分的根本策略。然而，这种传统的预处理方法面临重大的实际瓶颈。下游的厌氧消化常常不稳定且甲烷产量低（He等人，2024年；Paillet等人，2021年）。更严重的是，前端的三相分离带来了巨大的经济和操作负担。它需要昂贵的离心设备，消耗大量能源进行制浆和分离，并需要复杂的维护，显著增加了总体处理成本（Yang等人，2026年）。为了绕过这些限制，本研究重点关注未经处理的食品废弃物（UFW）的直接生物转化，这里指的是在任何机械预处理和分离之前的原始、完整的废弃物基质。

与机械预处理相比，基于昆虫的生物转化，特别是使用黑水虻幼虫（Hermetia illucens L.，BSFL），为有机废弃物的增值提供了更具适应性的途径（Fenoglio等人，2020年；Kotsou等人，2024年；Siddiqui等人，2024年）。与通常需要相对均匀底物的厌氧消化系统不同，BSFL由于其腐生性 feeding 习性和肠道微生物的适应性，能够处理复杂的有机废弃物（Surendra等人，2020年；Taufek等人，2024年）。它们能够通过机械破碎和酶水解直接处理高水分、异质的食品废弃物（Wilson等人，2025年）。此外，基于BSFL的转化据报道可以通过抑制病原微生物和减少废弃物处理过程中的卫生相关风险来促进生物净化（Abdellah等人，2026年；Ganesan等人，2024年）。这些生物特性使BSFL非常适合处理未分类、未经处理的食品废弃物（UFW）。更广泛地说，将低价值有机残渣生物转化为高价值生物质越来越被认为是在循环和可持续农业生态系统中的一种资源高效途径（Anokye，2025年；Chaturvedi等人，2025年；Wang等人，2026年）

尽管基于BSFL的生物转化在食品废弃物增值方面显示出巨大潜力，但其在没有机械预处理的情况下对未经处理的、物理化学性质复杂的食品废弃物的表现和适应性仍知之甚少（Chen等人，2025年）。这突出了几个关键的知识空白，包括直接转化UFW的基本可行性、不同处理方式对幼虫表现和营养积累的影响，以及肠道微生物和代谢在这些底物作用下重构成的生物学机制。为了填补这些空白，本研究评估了一种简化的整个废弃物转化模型（WR）作为资源高效的替代方案，并系统地比较了四种代表性的处理模式——TR、WR、SR和WM，以确定促进幼虫生长的最佳底物条件。通过结合生长特征、营养成分、16S rRNA测序和非靶向代谢组学，这项研究进一步探讨了BSFL的适应策略，为绕过预处理和直接转化食品废弃物提供了应用和机制上的见解。

部分摘录

饲料底物的准备

UFW代表在任何传统机械预处理和三相分离之前的原始食品废弃物，以及本研究中使用的三相分离后的固体残渣，均来自中国郑州的Kuocheng生态科技有限公司。同时，干层鸡粪来自河南农业大学的实验基地。为了系统评估不同的食品废弃物（FW）处理模式，实验设计了四种

底物、BSFL和粪便的近似营养成分

四种底物的近似营养成分明显不同（表2）。总体而言，TR的粗蛋白（CP）含量最高，而WM的醚提取物（EE）和灰分含量最高，表明其液体部分富含脂质和矿物质。WR的CP含量相对较低，但整体废弃物组成更为均衡，而SR的灰分含量最低。这些底物差异反映在收获的幼虫组成中

肠道微生物组和代谢组的综合分析

为了整合微生物组和代谢组数据，进行了Spearman相关性和Mantel检验网络分析，揭示了处理之间的协调变化（图7）。具体来说，WR中富集的Turicibacter和Bacilli与19(s)-hete、20-Hydroxyeicosatetraenoic acid、Guanosine 5′-monophosphate和3′,5′-Cyclic GMP呈正相关（图7A），支持防御-消化适应。相反，SR中富集的Pseudomonas与Anserine呈正相关

营养可塑性和蛋白质及脂质积累的调节

BSF的独特生命周期，特别是成虫在很大程度上依赖于幼虫的储备，使得幼虫阶段的营养积累尤为重要，因为后期的存活和繁殖依赖于化蛹前获得的储备（Laursen等人，2024年）。在这个生物学框架下，底物组成，尤其是蛋白质的可用性，被广泛认为是影响幼虫生长和体组成的关键因素（Pimentel等人，2017年；Schneider等人，2025年）。我们的

结论

本研究确定WR模式是最有前途的简化替代方案，可以替代昂贵的三相分离。WR组的生物质产量与工业基准TR相当，同时保持了强大的减废效果，表明固体-液体之间的协同作用弥补了机械粉碎的缺失。从机制上讲，WR组的幼虫通过富集Turicibacter和Bacilli并激活花生四烯酸

CRediT作者贡献声明

郭建来：撰写——原始草稿，验证，正式分析。李玉婷：撰写——原始草稿，验证，正式分析。焦明辉：可视化，研究。史慧斌：监督，正式分析。李军：监督，正式分析。王先伟：监督，正式分析。张伟贤：监督，正式分析。关凯：监督，正式分析。李振天：监督，正式分析。焦西兰：撰写——审阅与编辑，研究，资助

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢部门内所有参与这项实验的团队成员。作者们还要感谢本文所有作者的努力。本文描述的研究得到了河南畜牧经济大学的博士研究启动基金（2022HNUAHEDF002）和河南省重点学科建设项目（14020803；C3060016）的资助。