摘要
随着集约化养殖业的快速发展，我国每年会产生约38亿t畜禽粪便，造成了畜禽粪便的累积和环境污染，是构成我国面源污染的主要来源之一。同时我国饲料蛋白原料严重短缺，80%以上依赖进口，年进口价值超过2 000亿元，是全球蛋白原料最大进口国。昆虫可高效转化畜禽粪便，同时消减温室气体排放，并产生优异的虫体蛋白、脂肪和虫沙，实现养分流动循环和畜禽粪便资源化利用。以黑水虻为代表的昆虫生物转化畜禽粪便具有低耗能、低排放及良好社会、生态、经济效益，是治理畜禽粪便污染、解决这一困境的最有潜力的策略之一。近年来，黑水虻转化畜禽粪便产业发展迅速，本文从畜禽养殖带来的环境及资源问题、黑水虻生物转化产生的有益资源利用等方面进行了分析、阐述，并对其未来的发展方向进行了展望，以期为发展黑水虻转化畜禽粪便这一低碳畜牧产业提供借鉴。
联合国经济和社会事务部预测，2050年世界人口将达到93
我国是畜牧业养殖大国，随着畜牧业的不断发展，国家对畜牧业的资源投入不断增加，虽然促进了畜牧业经济的发展，但也对生态系统和气候环境造成了一定的负面影响。畜禽养殖过程中产生的大量粪便以及动物饲料资源紧缺已成为目前畜牧业亟需解决的重要问题，这是我国畜牧业实现健康可持续发展的关键。
我国畜牧业正处在向现代化转型的关键时期，畜禽粪便产生的污染问题严重制约了畜牧业的绿色健康可持续发展。畜禽粪便历来被视为优良的有机肥及土壤的改良剂，既可以补充N、P、K等营养元素，还可以维持土壤物理特性，如土壤结构以及持水能力。据资料显示，2019年我国养殖动物每年产生38 亿t动物粪便，大约为工业固体废料的3.5倍，更为严重的是我国畜禽养殖所产生的氨氮、总磷等超标20倍以
目前人类活动造成的气候破坏将会导致在未来40~75 a内全球平均气温上升4
随着畜牧产品的需求量日益增长，饲养畜禽所需要的蛋白质资源日益紧张。近年来，中美贸易摩擦对国内豆粕供给形势产生了重大影响，充分暴露了国产饲料资源供需严重失衡的重大问题。因此，食品和饲料部门面临的主要挑战之一是应对蛋白质需求的不断增
畜牧业现在正朝着低碳、低能耗、低排放、有机、绿色且兼具良好经济效益的方向发展，低碳畜牧业作是未来畜牧业的一种发展模式，不仅为节能减排、发展循环经济、构建和谐社会提供了操作性诠释，还将促进能源和资源利用技术创新、制度创新和可持续发展。因此，实现养殖废弃物的资源化利用，包括回收和增值，成为当前处理畜牧业废弃物的主要趋势。低碳绿色畜牧业通过技术创新、产业转型及资源循环利用、降低能耗和碳排放，尽可能减少能耗和碳排放，实现畜牧业发展与生态环境保护双赢。以黑水虻为代表的昆虫生物转化养殖废弃物策略近年来备受研究者关注，这一模式将有助于实现传统畜牧业向现代畜牧业转变、应对全球新的畜牧业科技革命。
亮斑扁角水虻，俗称黑水虻，属双翅目（Diptera）水虻科（Hydrotabanidae）完全变态型昆虫，其生命周期包括5个阶段：卵、幼虫、预蛹、蛹和成
图1 水虻的生命周期及转化畜禽粪便系统
Fig.1 Life cycle of black soldier fly and its transformation system of livestock and poultry feces
黑水虻生物转化过程中初始底物的碳和氮的流向有3条路径：一是作为气体排放损失，二是转化为幼虫生物质，三是保留在虫粪残渣中。大量的畜禽粪便及其营养成分可以通过昆虫的消化作用在短时间内实现减量化。黑水虻平均可减少鸡粪（49.6±9.8）%、猪粪（42.45±9.6）%和牛粪（44.2±8.4）%的干物质，鸡粪中干物质的减少量高于猪粪和牛粪，这是因为鸡粪中含有更多的营养物
黑水虻可以显著影响不同有机废弃物在生物转化过程中的温室气体排放。Matos
黑水虻营腐生生活，幼虫阶段主要以各种类型的有机废弃物为食，用于畜禽粪便等有机废弃物处理时，可以将畜禽粪便快速无害化处理，转化为自身的虫体蛋白和脂肪等营养物质，在消除环境污染的同时，又产生了动物蛋白饲料，有效提升了有机废弃物资源化利用效率。
1）转化粪便后的虫体蛋白及应用。黑水虻在转化有机废弃物的同时也能生产昆虫生物质，这种昆虫生物质中含有丰富的蛋白质、脂肪和氨基酸，因此具有很高的饲用价值。黑水虻生物质包含32%~58%的蛋白质和15%~39%的脂质，可以作为畜禽、宠物和水产养殖的饲料，甚至在一些食物来源匮乏的地区被人类当作食
2）转化粪便后的虫体脂质及应用。脂质作为黑水虻虫体的第二大成分也有着广阔的应用前景。黑水虻不管是幼虫还是预蛹的脂质含量都显著高于家蝇、苍蝇和马蝇等的幼
3）转化粪便后的虫体甲壳素及应用。黑水虻表皮中的甲壳素及其脱乙酰化衍生物壳聚糖可用于农业、生物医药、化妆品、食品、纺织和废水处理螯合剂等领域。在医学和食品等领域也具有较高的应用价值。此外，黑水虻虫体甲壳素具有较大的药用价值潜力，经过诱导，黑水虻可产生溶菌酶、抗菌肽、凝集素等多种免疫成
4）转化粪便后的虫沙及应用。生产黑水虻生物质作为畜禽饲料可能为传统畜禽养殖业提供更环保的替代方案。黑水虻转化畜禽粪便后会产生大量残留的基质和虫沙，由于黑水虻的营养和微生物特性，这种产品有可能被制作成高价值的生物肥料。Chavez
我国的肉类市场是世界上最大的，畜牧业的发展水平在国民经济生活建设中占据举足轻重的战略地位。我国人口基数大，土地和水资源紧张，养殖饲料紧缺，尤其是蛋白质原料长期供应不足，制约着畜牧业的发展。黑水虻是目前已经实现可规模化生产的食腐性昆虫。与传统养殖业相比，食腐性昆虫用途更大，养殖更容易，且不分季节，四季可养殖。利用这些腐食性的昆虫，能够将畜禽粪便中残留的营养成分转化为昆虫自身的生物质，从而降低畜禽粪便造成的环境污染，同时获得昆虫蛋白、脂肪等可利用的资源。以食腐性的昆虫为原料，可加工生产动物蛋白饲料、生物燃料、几丁质及抗菌肽等高附加值产品。昆虫排出的虫沙和转化之后的残留物可以用来生产复合有机肥料。
从环境和资源的角度来看，黑水虻将大自然腐烂的有机物进行转化，实现生态循环，在这一过程中发挥了重要作用。应用生态学原理构建腐生生物链是发展畜牧业循环经济和减轻环境污染的重要措施，在这个生态转化过程中，物质只是在一个小的生态系统内的生物循环，而不是大的地质循环，相对应的秸秆还田和秸秆燃烧等，按照物质循环来说只是地球物质的大循环。当前国家乃至全世界都在开发这种低碳绿色循环的生物技术，黑水虻符合这样的生态意义，且不与民争粮，不与民争地。推进昆虫产业发展对实现资源循环再利用和低碳畜牧业具有重要意义。
面对我国人多地少、耕地资源紧张的国情，未来农业如何保障充足的肉蛋奶等蛋白质的供给？替代蛋白研究就是寻找一种不依赖现有耕地的蛋白提供方式，是目前缓解土地资源紧张和环境压力的重要途径。昆虫转化有机废弃物，保护了环境，同时提供了蛋白、脂肪和几丁质等昆虫生物质，缓解了我国蛋白资源紧张的压力。从土地、粮食、资源的角度来认识黑水虻，该昆虫将大自然中腐烂的有机物转化到生态循环系统中，体现出其重要的生态调节作用。
以黑水虻为代表的一类营腐生性昆虫，取食范围广，生物量大，世代周期短，可将有机废弃物快速转化成为高附加值生物质。利用昆虫规模化转化有机废弃物，生产的优质昆虫生物质富含蛋白质、脂肪，可弥补动物饲料原料的短缺。对动物养殖而言，饲养得越密集，产生的碳足迹一般就越低。而黑水虻产业可以实现多层养殖，对土地及水资源要求低、能量溢出少、产出效率高。
目前，科技工作者通过利用腐生性昆虫的生存特点及取食习性来无害化处理畜禽粪便，并在此领域开展了大量的研究工作，但昆虫产业繁育技术的提高、粪便及有机废弃物处理技术的改进和推广、昆虫蛋白食品安全性及黑水虻昆虫蛋白分离效率的提高等问题亟待解决，如何突破产业化瓶颈、规模化利用还需科研人员的不断努力。
绿色生态型畜牧业是以畜禽养殖为中心，因地制宜开发相关产业，建设绿色低碳畜牧业，形成绿色循环的生产体系，实现资源开发与生态平衡有机结合。做好畜禽粪污处理和资源化利用，推广高效、经济、适用的畜禽养殖粪污综合利用模式，实现畜禽粪污生产替代蛋白，缓解地球土地资源紧张和环境压力从而实现畜牧业与昆虫转化产业二者要素双向流动，促使农牧业充分耦合、资源高效利用、改善生态环境，降低畜牧业碳排放，从而促进碳达峰和碳中和，实现畜牧业高效绿色低碳发展新模式。科技进步是现代畜牧业建设的驱动力，科学跟踪测算畜牧业碳排放，制定碳达峰和碳中和路径规划，在依靠科技进步提高资源利用率上实现新突破，有助于加快畜牧业高效绿色低碳发展科技创新步伐。
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