黑水虻 （BSF） Hermetia illucens（双翅目：Stratiomyidae）的幼虫对于全球努力迈向有机废物管理的循环经济模式非常重要。与其他昆虫牲畜（如蟋蟀和黄粉虫）不同，BSF可以消化多种原料。因此，这些昆虫现在以工业规模饲养，作为食物和农业废物的升级再造者，它们将其转化为可用的产品，如蛋白质、脂肪和肥料（昆虫粪便）（van Huis，2022 年）。使用生命周期评估 （LCA） 量化了 BSF 生产的产出和负面环境后果，生命周期评估是基于对排放的完整评估和确定可能的改进点来做出有关饲养实践决策的工具（Smetana 等人，2021 年）。迄今为止的 LCA 表明，基于 BSF 的废物升级再造有助于建立更可持续的循环经济框架，但也表明 BSF 生产不节能，会产生滋扰和温室气体 （GHG） 的排放（Salomone 等人，2017 年，Smetana 等人，2019 年，Ites 等人，2020 年，Guo 等人，2021 年，Beyers 等人，2023 年）。
温室气体排放将热量捕获在大气中，包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2一氧化碳2是主要的温室气体，主要是光合作用中封存的碳的有氧呼吸的产物。光合作用的摄取和呼吸释放的发生比例大致相等。近期大气中一氧化碳含量的上升2 水平主要是由于化石燃料的燃烧（全球碳项目，2022 年）。N2O 是一种强效温室气体，其全球变暖潜能值 （GWP） 是 CO 的 298 倍2 (Myhre等人，2014），是一种平流层臭氧消耗物质。在全球范围内，人为氮2O 排放主要来自农业来源，通过施用合成肥料和有机肥料以及随后的微生物驱动的硝化和反硝化过程（Tian 等人，2020 年）。垃圾填埋场、堆肥和废水处理也是氮的来源2O，全球排放0.2-0.5 Tg N yr-1（Tian et al.， 2020）。中文4是仅次于一氧化碳的第二大温室气体2100年GWP比CO高34倍2.中文4在有机物分解过程中和反刍动物牲畜中产生，这两者都占全球CH的很大一部分4排放（Steinfeld 和 Wassenaar，2007 年，Saunois 等人，2020 年）。温室气体排放发生在 BSF 对食物垃圾进行工业规模转化的过程中，以及令人讨厌的气体氨 （NH3) (Chen 等人，2019 年，Ermolaev 等人，2019 年，Mertenat 等人，2019 年，Pang 等人，2020 年a，Pang 等人，2020 年b，Parodi 等人，2020 年）。新罕布什尔州3不是温室气体，但对动物吸入有害（Čičková 等人，2015 年，Lalander 等人，2015 年）和产生其他污染物的前体，例如 2.5 微米颗粒物（PM2.5），以及通过氮沉降到生态系统中，产生氮2O（Mosier，2001 年，Pleim 等人，2019 年）。鉴于 BSF 产量预计将在未来十年大幅增长，量化温室气体和 NH3排放以及控制这些排放的饲养方法对于衡量负面环境影响和制定缓解措施至关重要。
目前，对温室气体和NH的研究有限各种昆虫原料的排放。由于缺乏数据，很难确定使用昆虫进行废物升级再造是否比允许有机废物在垃圾填埋场分解或将其用于传统堆肥更具环境可持续性（Oonincx 等人，2010 年，Nordahl 等人，2020 年）。现有研究表明，排放量取决于原料 C 和 N 组成（Pang 等人，2020b）、水分含量（Chen 等人，2019 年）和 pH 值（Pang 等人，2020a）。这种变化意味着有可能减少温室气体和NH3 通过控制或改变原料特性来排放。一种很有前途的原料改性策略是添加参与底物分解和转化的微生物。该领域的先前工作已经记录了微生物接种对原料质量的积极影响，通过减少 BSF 幼虫发育时间、提高转化效率和最终生物量来衡量（由 Jordan 和 Tomberlin，2021 年，Peguero 等人，2021 年，Gorrens 等人，2023 年审查).这些研究主要集中在添加单一微生物物种作为接种剂，并没有记录微生物减少温室气体或NH的有效性3排放，只有少数例外。Ermolaev等人（2019）用从BSF幼虫肠道中分离的细菌对食堂食物垃圾进行预处理或播种，但两种接种策略对温室气体排放都没有显着影响。Lindberg 等人（2022 年）用瑞西木霉真菌处理橙皮以及西兰花和花椰菜边角料的混合物，观察到累积 CH 显着减少和 N2O 蔬菜边角料的排放，但 CO2 含量高排放，而处理过的橘子皮的排放与未经处理的对照相似。Li et al. （2023） 表明，在厨余垃圾中加入乳酸菌或水果发酵汤可使 BSF 幼虫的体重增加约 8-10%，并且通过降低基质的 pH 值，还降低了 NH3排放。这项研究表明，原料的微生物改性可能是一种快速且具有成本效益的方法，可以改善饲养指标并减少工业BSF操作中有害气体的排放。
我们最近表明，使用乳酸菌、酵母和真菌的配方进行短暂的厌氧发酵期可以提高边际 BSF 原料的质量（Gebiola 等人，2023 年）。这个过程被称为bokashi发酵，相对于未发酵的边缘原料，导致生长速度和幼虫重量增加。关于bokashi发酵对温室气体或NH的影响知之甚少排放。然而，Hillberg （2020） 记录了显着降低的 CH4排放和氮减少趋势与未发酵垃圾相比，经过 bokashi 发酵的厨余垃圾时的排放量。作者推测，在用作肥料之前，通过bokashi方法对厨余垃圾进行预发酵可能会减少土壤下好氧堆肥的最后阶段的温室气体排放。基于这些结果，以及我们发现bokashi发酵可以改善底物氮转化为蛋白质生物量的发现，我们假设bokashi发酵将减少GHG和NH3BSF饲养过程中的排放。在台式规模上，我们评估了啤酒厂废谷物（BSF 的常见工业原料）的 bokashi 发酵对饲养指标、温室气体排放和 NH 的影响生产。啤酒厂的废谷物被选为原料，因为许多研究表明它是 BSF 幼虫的营养基质，通常与盖恩斯维尔或鸡饲料等标准饮食相当（Chia 等人，2018 年，Liu 等人，2018 年，Meneguz 等人，2018 年b，Shumo 等人，2019 年，Scala 等人，2020 年，Adebayo 等人， 2021 年，Ceccotti 等人，2022 年）。我们使用了因子设计，包括发酵和未发酵处理，每种处理都有或没有BSF幼虫。我们无法完全解开底物微生物过程、幼虫代谢及其潜在的协同或拮抗相互作用的贡献。然而，这种因子实验设计使我们能够确定 BSF 幼虫饲养过程作为温室气体和 NH 因素的总体相对贡献3不同基材的排放。我们预测bokashi发酵将：1.有利于BSF幼虫的发育和生长速度，正如在工业规模上已经观察到的那样;2.提高幼虫的生物转化效率和底物利用率;3.减少氮挥发量为NH3也可能作为 N2O 相对于未发酵的废谷物和/或传统饮食。
2.1 基材制备
啤酒厂的废谷物由当地一家啤酒厂捐赠，通过将它们与 bokashi 发酵剂（优质 bokashi 麸皮，Bokashi Living，加拿大温哥华）混合来发酵，根据制造商的说法，该发酵剂由“增强的 EM-1+ 细菌培养物”制成，其中 EM 代表有效微生物。EM-bokashi产品的确切微生物组成尚未公开。然而，据报道，它主要包括乳酸菌（例如，乳酸菌属、链球菌属）、酵母菌（例如，酵母菌属、念珠菌属）、少量光合细菌（例如，红假单胞菌属、红杆菌属、红螺旋体属）、放线菌（例如，链霉菌属）属）和发酵真菌（例如曲霉属）（Khaliq 等人，2006 年，Mayer 等人，2010 年，Quiroz 和 Céspedes，2019 年，Hillberg，2020 年）。根据制造商的建议，将啤酒厂的废谷物和 bokashi 麸皮混合在一个 20 升的 bokashi 堆肥箱 （Bokashi Living） 中，方法是在每层 2.5 厘米厚的基质中加入 15 毫克发酵剂，直到填满堆肥箱。废谷物在室温下发酵四个星期。在发酵过程中积累的渗滤液在炉排下方将基质固定在料仓底部的储液上方，通过料仓底部的阀门去除。在实验前一天收集未发酵的废谷物，以防止与长期储存相关的腐败。在所有实验中，我们将盖恩斯维尔基质（Hogsette，1992）作为对照，这是一种标准苍蝇饮食，通过混合50%的麦麸（Baker's Authority，Maspeth，NY，USA），30%的苜蓿粉（Walt's Organic Fertilizer Co.，Seattle，WA，USA），20%玉米粉（Yummmico，Inc.，Hialeah，FL，USA）并将混合物水化至70%。盖恩斯维尔底物是在实验设置的同一天制备的。将每种底物的50克放入直径为135毫米的塑料培养皿（Genesee Scientific，El Cajon，CA，USA）中，并在60°C的小型培养箱（VWR，Radnor，PA，USA）中干燥，直到在连续两次每日称重中记录稳定的重量，以获得底物的干物质和C：N比（见下文）。
2.2. 饲养条件及BSF幼虫生长实验
我们在温度（27 ± 1°C）和湿度（70 ± 5%）以及12：12 L：D光周期的房间内进行了实验。五天龄的幼虫（5-DOL）购自EVO Conversion Systems， LLC（美国德克萨斯州大学城）。同一批购买的BSF幼虫也被用于建立下述的气体排放实验。制备三组额外的200只BSF幼虫，并如上所述烘干，以获得初始干重和C：N比（见下文）。实验装置由200个5-DOL和200克基材组成，装在18x12x5厘米的黑色塑料食品容器（New Century Plastic Industry Inc.，San Leandro，CA，USA）中，由盖子封闭，带有网状开口以允许曝气。该实验重复了两次，每次处理（Gainesville，bokashi发酵的废谷物，未发酵的废谷物）分别有六次和五次生物学重复。在将所有 200 只 BSF 幼虫添加到基质中之前称重，然后轻轻冲洗 15 只 BSF 幼虫/单位以去除摄食基质，拍干并使用精密天平（U.S. Solid，Cleveland，OH，USA）在第 5、7、9 和 12 天称重，以获得实验前 12 天的重量动态。称重后，将BSF幼虫送回单位。当至少5%的BSF幼虫成为前蛹时，实验终止，将BSF幼虫从基质中分离出来（此时称为frass），并测量三个生活史性状（发育持续时间，生长速度，存活率，如表1所示）。如上所述，将放置在直径为90毫米的塑料培养皿（Genesee Scientific）中的5gBSF幼虫的子集进行烘干，以获得水分含量以计算BSF幼虫的最终干重。将新鲜的碎屑放入直径为135毫米的塑料培养皿中，称重并烘干。根据BSF幼虫和碎虫干重计算了3个BSF幼虫性能指标，即基质生物转化效率（BER）、底物减少率（RR）和废物减少指数（WRI），如表1所示。在实验开始时使用pH计（Luster Leaf，Atlanta，GA，USA）测量底物的pH值。
2.3. 温室气体和氨排放实验
我们比较了三种基质（Gainesville、bokashi 发酵的废谷物、未发酵的废谷物）的温室气体排放量，其中有 （BSF） 和没有 （对照） BSF 幼虫以它们为食，总共六次处理。每个处理有三个生物学重复，总共有 18 个实验单元。对于该实验，我们使用每种底物 100 g，保持底物：BSF 幼虫的 1：1 比例用于存在 BSF 幼虫的处理。底物和 BSF 幼虫被安置在 1 升广口梅森罐（Ball，亚特兰大，佐治亚州，美国）中，这些罐子与同时幼虫生长实验的实验单元一起保存，因此在上面报告的相同非生物条件下。罐子没有盖子，以避免气体积聚。一氧化碳2、中文4、N2O 和 NH3在实验开始时和第 2、5、7、9 天测量。将初始培养基质在60°C下烘干，精细研磨至150μm，并使用Flash EA112自动元素分析仪（ThermoFisher Scientific，Waltham，MA，USA）测量燃烧过程中的总碳（C）和总氮（N）（表2）。
3. 结果
在BSF幼虫消化之前，未发酵和bokashi发酵的废谷物的饲养基质的初始pH值分别为6、5.5和5。基质的总C和N含量最高的是未发酵的废谷物，其次是bokashi发酵的废谷物，然后是Gainesville基质（表2）。盖恩斯维尔底物的C：N比明显更高，而未发酵和bokashi发酵的废谷物之间的C：N比相似（表2）。饲养基质对所有测量的变量都有显著影响，但存活率除外（总结在表3中）。对于开发持续时间（方差分析，F2,29=42.9，p<0.001），以未发酵的废谷物为食的幼虫平均比在盖恩斯维尔基质和博卡西发酵谷物上饲养的幼虫需要大约三天的时间才能完成幼虫发育。生长速率也观察到相同的模式（方差分析，F2,29=33.0，p<0.001）。对于重量动态，底物（方差分析，F=221.5，df=2，p<0.001）和时间（方差分析，F=828.3，df=4，p<0.001）及其相互作用（方差分析，F=38.3，df=8，p<0.001）对幼虫体重有显著影响（图2）。盖恩斯维尔基质上的幼虫在第7天达到峰值体重，bokashi发酵的废谷物上的幼虫在第7天和第9天之间达到峰值，未发酵的废谷物上的幼虫在第9天和第12天之间达到峰值体重（图2）。发酵谷物的幼虫峰值重量平均比未发酵谷物饲养的幼虫高40%。存活率不受饲养底物的影响（方差分析，F=0.5，df=2，p=0.6）。底物对评估BSF幼虫功效和性能的所有三个指标均有显著影响：BER（方差分析，F=9.5，df=2，p<0.001）、RR（方差分析，F=17.4，df=2，p<0.001）和WRI（方差分析，F=67.2，df=2，p<0.001）。以盖恩斯维尔日粮为食的BSF幼虫具有最高的RR和WRI，最低的BER，以bokashi发酵谷物为食的BSF幼虫与以未发酵谷物为食的BSF幼虫表现相同（RR）或更好（BER和WRI）。
我们发现，对常见的BSF原料（啤酒厂的废谷物）进行厌氧发酵可以提高转化效率和幼虫产量，同时减少温室气体和NH3排放。饲喂 bokashi 发酵废谷物的 BSF 幼虫比未发酵谷物饲养的幼虫具有更高的生长速度，导致平均峰值重量（即工业幼虫的收获时间）高出 40%，这也更早达到。这将转化为更短和更多的工业饲养周期。与以未发酵原料为食的幼虫相比，以发酵原料为食的BSF幼虫平均只需近三天即可完成发育，并且具有更有利的生物转化效率比和减少废物的指数。在发酵原料上喂养的BSF幼虫的生物学指标与在营养完全对照基质上饲养的幼虫的生物学指标相当，甚至优于评估的三个性能指标之一，即生物转化效率。我们还证明了气体排放的减少，因为废谷物的 bokashi 发酵大大减少了气态氮的损失，因为 N2O 和 NH3.因此，我们的研究结果表明，bokashi 发酵具有改善 BSF 饲养环境和经济方面的潜力。
我们发现添加微生物混合物改善了生产指标，这与其他研究一致（Jordan 和 Tomberlin，2021 年，Peguero 等人，2021 年，Gorrens 等人，2023 年），包括我们在工业规模进行的一项初步研究（Gebiola 等人，2023 年).在本研究中，我们发现了类似的趋势，例如用 bokashi 发酵的废谷物喂养的 BSF 幼虫的生长速度和峰值体重更高，尽管在我们的台式规模实验中，与未发酵的废谷物相比，与食用 bokashi 发酵的废谷物相关的平均体重增加是我们的工业规模实验中观察到的两倍（40% vs 21%）（Gebiola 等人， 此外，虽然在工业规模上，喂食发酵和未发酵的废谷物的幼虫在发育持续时间上没有观察到差异（Gebiola 等人，2023 年），但在这里，以未发酵的废谷物为食的 BSF 幼虫发育明显更快（平均超过两天）。鉴于两项研究对以发酵的废谷物和对照基质为食的幼虫有很大的一致性，这些差异可能是由于废谷物的不同来源造成的，其物理和化学性质确实可能因啤酒厂而异（Naibaho 和 Korzeniowska，2021 年），甚至在啤酒厂内也存在较小程度的变化（Santos 等人， 2003 年）和 BSF 饲养规模的差异，已知这些差异会影响测量值（Yang 和 Tomberlin，2020 年）。我们的总体结论在不同尺度上是相似的，这表明bokashi发酵可能被广泛用作改善原料转化指标和增加幼虫产量的工具。
使用因子方法，我们能够分离 BSF 幼虫发酵和原料消化对温室气体和氨排放动态随时间变化的影响。对于一氧化碳2，累积排放与幼虫代谢和原料质量一起跟踪，作为支持最大幼虫生长的基质，盖恩斯维尔和博卡西废谷物，导致最高的一氧化碳2排放，对BSF幼虫添加有显著影响。这一结果也间接得到了类似累积CO的支持2有和没有BSF幼虫的未发酵废谷物之间的排放，表明未发酵的废谷物很少被BSF幼虫代谢。一氧化碳的时间模式2排放总体上与以前的研究相似，初始通量较低，在第 5 天达到峰值并逐渐减少，如 Ermolaev 等人，2019 年，Chen 等人，2019 年和 Pang 等人（2020b）。与其他研究（Perednia 等人，2017 年，Chen 等人，2019 年，Ermolaev 等人，2019 年，Mertenat 等人，2019 年，Parodi 等人，2020 年）一致，但 （Pang et al.， 2020a） 除外，CH4几乎没有检测到，表明代谢性 CH4BSF幼虫的产量绝对值较低或不存在，但仍对bokashi发酵和BSF添加有反应。
BSF的存在和bokashi发酵都会影响N的排放2O 和 NH3.BSF幼虫增加了氮的排放2O 来自未发酵的废谷物，在第 5 天达到峰值，并且仍然高于 bokashi 发酵废谷物的排放量。无论是否存在 BSF，发酵废谷物的排放都可以忽略不计。因此，bokashi 发酵抵消了 N 的趋势2o 在饲养过程中产生微生物活性。由于氮含量降低，这种处理导致 GWP 降低2O 排放，自 CH4排放量可以忽略不计，一氧化碳2生物源的排放不包括在全球升温潜能值的计算中。新罕布什尔州3排放量也同样减少，因为废谷物中添加的BSF增加了NH3第 7 天的排放量，但 bokashi 发酵的废谷物没有发生这种增加。盖恩斯维尔基质的排放对BSF幼虫的添加基本无反应，氮的排放量低但稳定2O 和可能减少的 NH3 在大部分饲养过程中的通量。这表明基底成分将影响BSF的添加是否导致排放增加。含氮气体通量中的类似时间模式可能表明，BSF幼虫的添加促进了废谷物中的氮矿化，但幼虫无法有效地吸收矿化氮（Pang等人，2020b）。盖恩斯维尔基质的氮同化到幼虫生物量中可能更有效，因为它的C：N比较高，可能导致NH减少3挥发，与未发酵的废谷物基质相比，允许更多的氮可用于BSF幼虫的吸收，并显着增加幼虫的生物量重量。较高的底物 C：N 比和 C 可用性已被证明可以降低 NH3BSF饲养（Pang等人，2020b）和通过增加氨同化细菌种群和酶活性（Meng等人，2016，Wang和Zeng，2018）的食物垃圾堆肥的排放。新罕布什尔州的差异3基质之间的排放也可能受到氮气到一氧化氮的化学转化的影响3-或保留为 NH4+由于底物pH值的差异。未来的研究应测量底物NH4+浓度及其向NO的转变3-在整个饲养过程中，以确定BSF幼虫如何影响氮循环和底物NH的贡献4+温室气体和 NH 的内容排放。
采用因子方法，探讨了bokashi发酵和BSF幼虫饲养过程如何影响不同原料的痕量气体排放，以及饲养性能与气体排放之间的关系。结果表明，废谷物的bokashi发酵显著提高了BSF幼虫的生长和性能，同时减少了氮2O 和 NH3排放。在先前研究的背景下，我们的结果表明，由于BSF饲养过程，幼虫性能和痕量气体排放的增加可能取决于基质特性以及饲养条件。这里提出的结果应该在工业规模上进行验证，同时实现碳和氮的完全质量平衡，并包括bokashi发酵本身的排放。未来的研究还应该表征bokashi发酵过程中微生物组成的变化，并可能将微生物分类群与其功能和对减少痕量气体排放的潜在影响联系起来。
