黃蘭英，胡紅元，池 騁，宋儒勝，陳 霞，張昌容，尚小麗*，吳建偉

(1. 貴州醫(yī)科大學生物與工程學院貴州省免疫細胞與抗體工程研究中心，貴陽 550025；2. 貴州醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院現代病原生物學特色重點實驗室，貴陽 550025；3. 三峽旅游職業(yè)技術學院，湖北宜昌 443000；4. 貴州省農業(yè)科學院植物保護研究所，貴陽 550006)

秸稈是地球上最豐富的可再生資源，其主要成分為木質纖維素，包含纖維素、半纖維素、木質素(Sarkaretal., 2012)。據報道，全球植物利用光合作用合成的木質纖維素每年能夠達到2×1011噸/年，可固定極為豐富的太陽能(4×1021J/yr)(黃鑫，2015)，這使得秸稈成為了世界上儲量最大的可再生資源(Wilson, 2011)。

目前我國秸稈資源一直存在污染重、消耗大、利用率低等問題，現有的秸稈處理方法有化學法、物理法、物理化學法和生物法(楊玉楠等，2007；Kumaretal., 2009; Zhengetal., 2018)。前3種處理方法大多都需要昂貴的機器設備，以及消耗大量的能量來創(chuàng)造高溫高壓或適應強酸強堿的極端環(huán)境(Liuetal., 2017; Vannesteetal., 2017; Veluchamyetal., 2018)，因而應用方面受到限制。生物法方面利用微生物工程等生產復合纖維素酶用以降解纖維素現應用較廣(Wongetal., 2014)，但由于該項生物技術設備成本高(Daasetal., 2018)、微生物酶工程預處理周期過長等問題，在工業(yè)界仍然無法被大規(guī)模應用(Kumaretal., 2008; Fischeretal., 2013; Garveyetal., 2013)，這也是利用微生物降解木質纖維素的瓶頸(Russelletal., 2009)。生物法另一方面在利用反芻動物消化研究中，也存在木質纖維素利用率不佳，降解時間較長等不足(Watanabe and Tokuda, 2010; 謝蓉蓉等，2015)。因此，尋求高效降解木質纖維素的方法，成為了當前秸稈類生物質能開發(fā)利用的關鍵。

昆蟲的消化系統(tǒng)異于反芻動物，目前已有大量研究表明，很多昆蟲的消化系統(tǒng)可作為一種高效的生物反應器在降解木質纖維素消化中發(fā)揮著重要作用?，F已報道的具有較好木質纖維素降解潛力的昆蟲有：白蟻Termitidae(Petersonetal., 2016; Lietal., 2017; Gengetal., 2018)、黃粉蟲Tenebriomolitor(阮傳清等，2018)、黑水虻HermetiaillucensL.(Bavaetal., 2019)、竹鼻甲蟲Cyrtotrachelusbuqueti(Luoetal., 2018; Luoetal., 2019)等。

貴州為我國產酒大省，高粱秸稈和酒糟資源豐富。本課題組前期在與貴州茅臺集團合作進行酒糟資源化處理中發(fā)現，利用家蠅Muscadomestic可對酒糟進行有效降解(吳建偉等，2014 a；2014 b)，并初步證實家蠅體內含有可對酒糟和秸稈進行降解的內源木質纖維素酶類(張姝等，2013；胡蓉等，2013)，但目前關于家蠅對高粱秸稈類的具體消化降解情況和高粱秸稈對家蠅生長發(fā)育的影響等尚缺乏詳細研究，且未見報道。此外，劉穎等(2017)雖已報道了小麥秸稈對家蠅的飼養(yǎng)效果，但其實驗設計的角度與本研究存在差異。因此，為探明家蠅對高粱秸稈和小麥秸稈的木質纖維素利用情況，以及高含量秸稈對家蠅生長發(fā)育的影響，本文開展了相關研究，以期為今后規(guī)?；眉蚁壸鳛橘Y源昆蟲，生物降解秸稈類有機廢棄物提供理論依據和科學基礎。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

以貴州醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院現代病原生物學特色重點實驗室飼養(yǎng)繁育的家蠅為試驗昆蟲。

1.2 供試飼料

幼蟲飼料：(1)高粱秸稈和小麥秸稈飼料：將秸稈曬干后，用粉碎機粉碎，并通過孔徑2 mm網篩篩選，40℃干燥機烘干后，裝袋密封，4℃保存?zhèn)溆茫?2)麥麩飼料：用干燥機40℃烘干，裝袋密封，4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

成蟲飼料：(1)成蟲批量保種時，使用1 ∶1的白糖和奶粉固體混合后放于培養(yǎng)皿飼養(yǎng)，飲用水為置于培養(yǎng)皿內(放有海綿)的無菌蒸餾水。(2)成蟲實驗單頭飼養(yǎng)時，飼料為10%奶粉水(溶質為白糖和奶粉1 ∶1的混合物，溶劑為無菌蒸餾水)，用棉球蘸取適量奶粉水放于養(yǎng)蟲瓶內(190 mL一次性塑料杯，紗布封口，下文中養(yǎng)蟲瓶均此類型)，并注意每日更新。

1.3 昆蟲保種飼養(yǎng)條件

保種和實驗用家蠅均飼養(yǎng)于養(yǎng)蟲室中，養(yǎng)蟲室溫度27℃，相對濕度(RH)60%～70%，光照周期12 N ∶12 D。保種用家蠅幼蟲按飼料種類不同分為純麥麩保種飼養(yǎng)、70%高粱秸稈粉(30%為麥麩)保種飼養(yǎng)和70%小麥秸稈粉保種(30%為麥麩)飼養(yǎng)。各飼養(yǎng)種類幼蟲分別飼養(yǎng)于養(yǎng)蟲盒(體積為1 000 mL的一次性塑料碗，下文中養(yǎng)蟲盒均此類型)中，盒口有紗布封口，并將養(yǎng)蟲盒放于對應的養(yǎng)蟲籠中(55 cm×55 cm)，每日對幼蟲生長情況和化蛹情況進行觀察，對飼料濕潤情況適時調整；待有成蟲羽化后將養(yǎng)蟲盒紗布打開讓成蟲飛出，成蟲仍保種飼養(yǎng)于的該養(yǎng)蟲籠內，待成蟲羽化3 d后即可根據保種和實驗需要開始接卵。保種用卵隨需隨接，實驗用卵于每天早上9 ∶00開始，接卵盒(盒內含已提前一天發(fā)酵的飼料)敞口放入蠅籠進行接卵，當天中午12 ∶00結束，接卵后將卵塊用毛筆挑出放入少量含無菌水的培養(yǎng)皿內，利用無菌水快速將卵分離并計數放入已盛有發(fā)酵飼料的養(yǎng)蟲盒中，并將此批卵孵化的幼蟲視為同齡幼蟲開展后續(xù)試驗。

1.4 3種飼料的制備和不同的處理方法

先配置3種飼料：(1)在100 g高粱秸稈粉中加入50 g的麥麩設為70%高粱秸稈組；(2)在100 g麥秸稈粉中加入50 g麥麩設為70%小麥秸稈組；(3)將含150 g純麥麩設為麥麩組。而后每種飼料均做3種處理方式：(1)對照組：不做任何處理，干燥飼料150 g于室溫條件下放置6 d后待測；(2)發(fā)酵組：取150 g干燥飼料，向內加入150 mL無菌水，室溫發(fā)酵6 d后待測；(3)家蠅幼蟲取食組：取150 g干燥飼料，向內加入150 mL無菌水，室溫發(fā)酵1 d后的向其中接入300頭卵喂養(yǎng)至家蠅幼蟲第5天，后分離去除家蠅待測。

1.5 化學成分測定

將上述3種飼料分別經對照、發(fā)酵和幼蟲取食處理后，收集樣品并對其粗蛋白、粗脂肪、總糖、纖維素、木質素和半纖維素的含量進行測定，以觀察發(fā)酵和幼蟲取食對不同秸稈飼料的降解情況。測定方法或依據標準分別如下，粗蛋白(GB/T 6432-1994)、粗脂肪(GB/T 5512-2008)、總糖(DNS法)(Miller, 1959)、纖維素、木質素和半纖維素(Van Soest法)(劉文靜等，2013)。每組處理設置3個重復。

1.6 不同配比飼料對家蠅生長發(fā)育影響的觀察

設置純麥麩為對照組，實驗組則將純麥麩、高粱秸稈粉、麥秸稈粉和菜籽餅按不同比例進行配置，并飼養(yǎng)家蠅幼蟲，詳細配比如下(表1)。

表1 不同配比飼料處理

每實驗組稱取已配比好的飼料40 g放入養(yǎng)蟲盒中，并向每個養(yǎng)蟲盒中加入等量的無菌蒸餾水，均勻攪拌，待室溫發(fā)酵1 d后，每盒接入30頭卵，養(yǎng)蟲盒用紗布封口并單獨放于養(yǎng)蟲籠中開始實驗，每實驗組重復3次。在卵接種后第3天(3齡幼蟲)隨機挑選養(yǎng)蟲盒內8 頭幼蟲，測量每頭幼蟲的體長、體重并放回養(yǎng)蟲盒；當幼蟲進入預蛹后(一般為接卵后第5天)，從養(yǎng)蟲盒內挑取預蛹12頭分別放入養(yǎng)蟲瓶中單頭單瓶飼養(yǎng)并編號，期間養(yǎng)蟲瓶內家蠅發(fā)育至成蟲后需于瓶內放入沾有10%奶粉水的棉球作為成蟲營養(yǎng)供給，并根據單頭單瓶飼養(yǎng)的家蠅發(fā)育情況統(tǒng)計家蠅發(fā)育歷期。

另待養(yǎng)蟲盒內飼養(yǎng)的家蠅幼蟲化蛹后，隨機挑取8頭蛹，測量記錄每頭蛹的體長、體重并放回；待養(yǎng)蟲盒內有家蠅羽化后，將盒口紗布打開將家蠅釋放入養(yǎng)蟲籠，并隨機挑取8頭成蟲放入-20℃冰柜10 min進行處死，測量每頭成蟲的體長、體重，剩余成蟲依舊在籠內飼養(yǎng)至自然死亡。并根據養(yǎng)蟲盒和養(yǎng)蟲瓶內所有家蠅的整體化蛹和羽化情況，統(tǒng)計化蛹率、羽化率和性比。

此外，本實驗中由于家蠅初孵幼蟲過小且有鉆入潮濕飼料內的習性，難以對家蠅卵孵化率進行觀察，故本研究視各組飼料喂養(yǎng)下家蠅的卵孵化率均為1，則家蠅總存活率=1×化蛹率×羽化率。

1.7 數據統(tǒng)計

利用Excel 2016對實驗中所得到的數據進行數據整理及繪圖，各處理相關指標數據均以平均數±標準差表示。利用SPSS Statistics 18.0對數據采用Duncan氏新復極差法在顯著性水平0.05的條件下進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 3種飼料不同處理條件下粗蛋白、粗脂肪和總糖的含量變化

根據3種飼料在不同處理條件下粗蛋白、粗脂肪、總糖的測定結果顯示(圖1～圖3)，跟秸稈飼料相比，麥麩的粗蛋白、粗脂肪和總糖含量最高，而在高粱秸稈和小麥秸稈中，又以高粱秸稈的營養(yǎng)成分較高，其粗蛋白和總糖含量都要高于小麥秸稈。而3種飼料在不同處理條件下，對照組、發(fā)酵組和家蠅幼蟲取食組中飼料粗蛋白、粗脂肪、總糖的含量則均呈現對照組>發(fā)酵組>家蠅取食組的趨勢，此外僅高粱秸稈飼養(yǎng)條件下發(fā)酵組和幼蟲取食組相比粗蛋白的含量無顯著差異，余下各組均差異顯著(P<0.05)。由此說明，飼料環(huán)境中存在的微生物可使飼料當中的營養(yǎng)成分初步降解，而家蠅幼蟲的取食則可以使飼料中營養(yǎng)成分的降解加劇。

圖1 3種飼料不同處理條件下粗蛋白的含量比較Fig.1 Comparison of crude protein content in 3 feeds under different treatments注：圖上標有不同小寫字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。下圖同。Note:Different lowercase letters indicate significant difference for date in the same column group at P<0.05 level. The same below.

圖2 3種飼料不同處理條件下粗脂肪的含量比較Fig.2 Comparison of crude fat content in 3 feeds under different treatments

2.2 3種飼料不同處理條件下纖維素、半纖維素和木質素含量變化

通過測定3種飼料在不同處理條件下纖維素、半纖維素、木質素的含量結果進行分析(圖4～圖6)，3種飼料未做任何處理下(對照組)的木質纖維素總含量呈現小麥秸稈>高梁秸稈>麥麩的趨勢，其中纖維素含量比較豐富的為麥秸稈和高粱秸稈，半纖維素含量最豐富的為麥麩，而木質素含量在3種飼料中基本相當。將3種飼料均采用未處理(空白對照)、單純發(fā)酵和發(fā)酵后飼喂家蠅，結果表明各種飼料經處理后其纖維素、半纖維素和木質素含量在對照組、發(fā)酵組和幼蟲取食組中具有明顯差異(P<0.05)，且均呈現對照組>發(fā)酵組>家蠅取食組的趨勢，由此說明，家蠅幼蟲對木質纖維素各成分的降解程度要優(yōu)于單純的微生物發(fā)酵。

圖3 3種飼料不同處理條件下總糖的含量比較Fig.3 Comparison of total sugar content in 3 feeds under different treatments

圖4 3種飼料不同處理條件下纖維素的含量比較Fig. 4 Comparison of cellulose content in 3 feeds under different treatments

圖5 3種飼料不同處理條件下半纖維素的含量比較Fig.5 Comparison of hemicellulose content in 3 feeds under different treatments

圖6 3種飼料不同處理條件下木質素的含量比較Fig.6 Comparison of lignin content in 3 feeds under different treatments

2.3 不同配比飼料對家蠅生長發(fā)育的影響

使用高粱秸稈和麥秸稈按照不同配比飼養(yǎng)家蠅，高粱秸稈的飼養(yǎng)效果要優(yōu)于麥秸稈的飼養(yǎng)效果。其中，當飼料中不添加菜籽餅時：秸稈喂養(yǎng)的家蠅其各蟲態(tài)體長、幼蟲和成蟲體重都要顯著(P<0.05)低于麥麩飼養(yǎng)的家蠅；在相同秸稈配比條件下，高粱秸稈飼喂的家蠅其各蟲態(tài)體長、體重、總存活率和發(fā)育歷期均要優(yōu)于麥秸稈喂養(yǎng)的家蠅，且在幼蟲和蛹的體長、蛹重方面差異顯著(P<0.05)；70%高粱秸稈喂養(yǎng)時家蠅存活率和發(fā)育歷期較麥麩飼養(yǎng)無顯著差異(P>0.05)，而70%小麥秸稈喂養(yǎng)時家蠅存活率和發(fā)育歷期較麥麩飼養(yǎng)存在顯著差異(P<0.05)，當麥秸稈添加至90%時，家蠅則無法存活(表2、表3)。在秸稈含量相同的飼料中，適當添加菜籽餅，可提高家蠅各發(fā)育階段的體長、體重、存活率，縮短其發(fā)育歷期。

表2 不同配比飼料處理對家蠅各蟲態(tài)體長、體重的影響

表3 不同配比飼料處理對家蠅化蛹率、羽化率、存活率、發(fā)育歷期和雌雄比的影響

3 結論與討論

我國是世界上秸稈產量最多的國家，秸稈作為豐富的生物質能源，一直以來都存在轉化難、利用率低等問題，這也成為了限制其資源化循環(huán)利用的主要瓶頸(張曉旭等，2018)。家蠅為腐食性昆蟲，生活周期短、繁殖力旺盛、易于規(guī)?；曫B(yǎng)。利用家蠅幼蟲作為生物轉化器降解秸稈，一方面可以提高秸稈降解效率，改善農業(yè)環(huán)境，另一方面還可獲得更多動物蛋白，從而提高秸稈的資源化利用價值(Moonetal., 2001; Zhangetal., 2012)。

小麥秸稈和高粱秸稈均為我國傳統(tǒng)農業(yè)有機廢棄物，資源豐富但不易轉化利用。本研究以小麥秸稈和高粱秸稈為飼料，通過分別對其進行不同處理后喂養(yǎng)家蠅，一方面對代謝后的營養(yǎng)和秸稈化學成分進行檢測，另一方面探究了不同配比的秸稈飼料對家蠅生長發(fā)育的影響，旨在探明家蠅對不同秸稈的降解情況，并明確更適于利用家蠅來降解的秸稈種類和秸稈飼料最大配比濃度，從而為今后規(guī)?；眉蚁墎斫到饨斩掝愑袡C廢棄物提供重要的數據參考和理論支撐。

通過上述研究結果表明，一般營養(yǎng)成分(粗蛋白和總糖)方面，常規(guī)家蠅飼料麥麩(對照組)的營養(yǎng)成分>高粱秸稈>小麥秸稈；木質纖維素總體含量方面，小麥秸稈>高粱秸稈 >麥麩；另外，各飼料處理組中粗蛋白、粗脂肪、總糖、纖維素、半纖維素、木質素的含量，均呈現為未發(fā)酵組>發(fā)酵組>家蠅取食組的趨勢，且除高粱秸稈組粗蛋白外其余成份各組間均差異顯著。由此說明微生物發(fā)酵過程可消耗秸稈飼料的營養(yǎng)物質，并可促進秸稈木質纖維素的降解，而家蠅取食除可通過自身對秸稈營養(yǎng)物質的消耗生產附加值較高的動物蛋白產品，還可更大程度的顯著降解木質纖維素。本結論與劉穎等(2017)研究結果存在差異，劉穎等研究發(fā)現，小麥秸稈粗蛋白和可溶性糖的含量發(fā)酵組>未發(fā)酵組，而纖維素、半纖維素、木質素的含量則家蠅取食組>發(fā)酵組。此外，彭宇等(1996)曾報道家蠅幼蟲生長發(fā)育階段所需的能量營養(yǎng)物質主要由糖類供應，由此說明從營養(yǎng)成分上看，本研究中高粱秸稈較小麥秸稈更適于家蠅幼蟲的生長發(fā)育。

在不同配比秸稈飼料對家蠅生長發(fā)育的影響方面，本研究發(fā)現秸稈配比相同的條件下，高粱秸稈喂養(yǎng)的家蠅各蟲態(tài)體長、體重、總存活率和發(fā)育歷期均要優(yōu)于麥秸稈喂養(yǎng)，再次說明高粱秸稈更適于家蠅的飼養(yǎng)；此外，在秸稈含量相同的飼料中，適當添加菜籽餅，可提高家蠅各發(fā)育階段的體長、體重、存活率，延長其發(fā)育歷期，說明菜籽餅能夠給家蠅提供更多營養(yǎng)物質需求，對其生長發(fā)育有著顯著影響；而當飼料中小麥秸稈添加至90%時，家蠅幼蟲無法進行正常的生長發(fā)育繁殖，這可能與麥秸稈粗蛋白、總糖等營養(yǎng)成分的含量不高有關，從而影響了家蠅幼蟲正常生長繁殖；總體來說，秸稈營養(yǎng)條件雖較麥麩匱乏，導致幼蟲期、蛹期延長，成蟲期縮短，羽化率及體重下降，但高粱秸稈飼養(yǎng)條件下家蠅生長均要優(yōu)于麥秸稈，甚至在純高粱秸稈喂養(yǎng)條件下，其化蛹率、羽化率和存活率等重要指標均與麥麩飼養(yǎng)無顯著差異，說明純高粱秸稈喂養(yǎng)下家蠅仍能保持正常的生長發(fā)育，故適于將家蠅作為生物轉化器用于秸稈尤其是高粱秸稈的產業(yè)化降解。

綜上所述，本文研究結果表明，一方面家蠅不僅可以通過對秸稈營養(yǎng)物質的取食生產附加值更高的動物蛋白，還可以顯著降解秸稈中的木質纖維素，明確了家蠅對秸稈的降解效果；另一方面較麥秸稈，家蠅在純高粱秸稈飼養(yǎng)下能保持更好的生長發(fā)育，更適用于高粱秸稈的規(guī)模化生物降解，以上結論為今后規(guī)?；眉蚁墎斫到饨斩掝愑袡C廢棄物提供了重要的數據參考和理論支撐。目前，關于家蠅幼蟲降解秸稈的分子機制尚不清楚，如何更好的提高家蠅對秸稈木質纖維素的降解率也有待研究，解決這些問題是日后規(guī)?；眉蚁壐咝锝到饨斩掝惿镔|能源的關鍵，也是我國進行農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的趨勢。