THE PROCESSING OF CHICKEN EXCREMENTS WITH BLACK SOLDIER FLY (HERMETIA ILLUCENS L.) LARVAE IN THE NORTHERN TRANS-URALS

Утилизация органических отходов связанных с производством продуктов питания, с каждым годом становятся все большей проблемой. Ожидается, что к 2050 году спрос на мясопродукты достигнет колоссальных объемов в 455 миллионов тонн, что на 76% больше по сравнению с потреблением мяса, зарегистрированным в 2005-2007 годах [1]. А неустойчивые методы ведения сельского хозяйства достигнут критической точки, которая может быть ускорена дефицитом воды, истощением пахотных земель, частично из-за урбанизации и изменения климата. Постепенный переход к внедрению экономики замкнутого цикла и устойчивых методов является небольшой частью решения, которое может облегчить нагрузку на существующие системы производства продуктов питания. В то же время, выращивание насекомых для пищевых и кормовых целей имеет ряд достоинств: с экологической точки зрения культивирование насекомых требует меньшей площади для производства 1 кг белка по сравнению с традиционными источниками, снижение выбросов парниковых газов и биоконверсия побочных органических отходов в продукты высокой ценности [2], [3].

Существует несколько видов насекомых, которые могут быть использованы в качестве кормовой добавки для с/х животных. Они могут быть перспективным альтернативным решением для обеспечения продовольственной безопасности. Использование съедобных насекомых в качестве питательных ингредиентов в рационе человека могло бы иметь ряд преимуществ за счет высокого содержания в них белка, аминокислот, липидов (в том числе жирных кислот Омега-3 комплекса), микро- и макроэлементов, а также как ценного энергетического продукта. [4], [5]. В числе множества насекомых, которые могут быть массово выращены для указанных целей, насекомым с достаточно благоприятными свойствами является черная львинка Hermetia illucens L. (Diptera: Stratiomyidae). Выращивание черной львинки было начато в 1990-х годах для высокоэффективной утилизации органических отходов, превратив их в богатую белком и жиром биомассу, пригодную для применений в качестве потенциальной альтернативы традиционным источникам белка, таким как соя и рыбная мука, в кормах для животных и аквакультуры [6], [7], [8]. Переработка отходов и промышленное выращивание черной львинки для получения белков, липидов, производных хитина, биоактивных пептидов, биоудобрений и других микро- и макроэлементов является очень сложной задачей. Этот процесс включает в себя несколько единичных операций, механизмы экстракции и разделения, методы фракционирования и схемы биоочистки для максимально эффективного использования биомассы личинок [9]. Личинки черной львинки способны агрегировать отборные питательные вещества из кормового субстрата, которые присутствуют в рационе [10]. Например, личинки черной львинки могут накапливать каротиноиды в матрице, которые, в свою очередь, могут быть извлечены из липофильной фракции личинок.

Куриный помет богат органическими веществами, питательными компонентами и патогенами. Этот субстрат имеет низкое соотношение C / N, высокое содержание влаги, фитотоксичные соединения и неприятный запах, который может стать проблемой в процессе длительного компостирования. Увеличение объема производства птицефабрик, связанное с возросшим потреблением куриного мяса и яиц приводит к большому накоплению органических отходов, в том числе куриного помета, утилизация которого является важной проблемой [11]. Куриный помет традиционно использовался для удобрения и восстановления почв. Однако чрезмерное применение куриного помета может привести к эвтрофикации водоемов, распространению патогенов, фитотоксичности, загрязнению воздуха и выбросам парниковых газов [12]. Поэтому разработка эффективных методов переработки куриного помета, крайне важна для предотвращения экологической угрозы [13].

В настоящее время проводятся множественные исследования, связанные с черной львинкой, так как данный вид мух отлично подходит для утилизации органических отходов, и может стать решением экологической проблемы связанной с загрязнением окружающей среды отходами с/х производства [14].

Личинки черной львинки способны эффективно превращать органические отходы в биомассу, оставляя лишь небольшое количество высушенного зоогумуса и частичных остатков аммиака [15]. Личинки черной львинки обладают уникальным составом микробиоты, который позволяет им переваривать все органические материалы, такие как сельскохозяйственные отходы, гнилые овощи, экскременты животных и человека, мусор и т.д. Таким образом, с помощью личинок черной львинки можно уменьшить количество отходов в окружающей среде.

Возможность снижать количество отходов личинками зависит от типа субстрата, кроме того, снижение неприятного запаха и активация процесса переваривания, также относятся к факторам, повышающим скорость разложения. За счет дегидратации субстрата личинками происходит подавление роста бактерий, в том числе патогенных, в органических отходах [15], [16].

Также, черная львинка может контролировать популяцию домашней мухи (Musca domestica L.) примерно на 94-100 % в птичьих хозяйствах и фекалиях свиней путем вытеснения личинок домашней мухи специальными гормонами [15], [17], [18].

Цель этого исследования – изучить функцию черной львинки по превращению птичьего помета в биомассу в условиях Северного Зауралья.

Содержание колонии черной львинки

Насекомые принадлежали к колонии, выращиваемой в лаборатории промышленной энтомологии Государственного аграрного университета Северного Зауралья с 2020 года, созданной на основе личинок, приобретенных в Санкт-Петербурге. Колонию поддерживали при температуре 26 ± 0,5°C, относительной влажности 65-75% и фотопериоде 16:8 L:D ч. Личинок выращивали на диете куриного корма для несушек, с добавлением равного объема воды, как было предложено Sheppard et al. [18]. Взрослых содержали в садках размером 700х600х600 мм и поили водой с тростниковым сахаром.

Планирование экспериментов

Состав субстрата, используемого для выращивания черной львинки, определяли с помощью экспериментального проекта оптимальной смеси с учетом трех факторов: куриный помет, чистая вода и вода с 10% экстрактом зоогумуса или биогумуса. Следует отметить, что высокое содержание влаги в курином помете вынудило нас учитывать количество воды в смесях, превышающее 50% (количество воды, используемой для приготовления смесей, включает как влажность навоза, так и добавленную жидкую воду). Для оптимизации учитывали процент особей, ставших предкуколками (выраженный в %), и максимальный средний вес предкуколок (выраженный в г).

Проведение эксперимента

Пятидесятиграммовые смеси куриного субстрата были помещены в 4 пластиковых контейнера размером 17.0х12.0х5.0 см. Семь грамм 5-дневных личинок были добавлены в каждый контейнер, который был расположен случайным образом на полках в инсектарии при температуре 26±0,5°C с относительной влажностью 70-75% в темноте. Первая проверка проводилась через 3 дня, чтобы избежать беспокойства личинок, а затем с частотой один раз в 2 дня. При проверке контейнеров производили дополнительное кормление по 40 г субстрата. Предкуколок собирали вручную, взвешивали, а затем хранили в инкубаторе (26 ± 0,5 °C, влажность 65-75%, фотопериод 16:8 ч L:D) для оценки взрослых особей: появление, выживаемость и эффективность размножения. Эксперимент был завершен, когда все личинки превратились в предкуколки, а затем во взрослых мух.

В качестве контроля десять грамм 5-дневных личинок выращивали на диете куриного корма для несушек, который добавляли в каждый контейнер. Было использовано по четыре экземпляра каждого метода обработки и контроля, а также проведено два испытания.

После кормления личинки удалялись ежедневно, и кормление прекращалось, когда 50% достигали предкуколочной стадии, как описано Tomberlin et al. [14].

Показатели сбора данных

Биоконверсию рассчитывали как количество потребляемого сухого вещества корма и количество собранных личинок. Ниже рассчитан вес отдельных личинок, сокращение отходов и скорость биоконверсии в процентах. Переменные такие, как описано Zhouetal. [19]:

а) вес личинок – это фактический вес (г) живых личинок после кормления;

б) сокращение отходов – это процентное содержание отходов в пересчете на сухое вещество;

в) скорость биоконверсии – это количество сухого вещества, превращенного в личинки, выраженное в процентах.

Результат показал, что черная львинка является перспективным объектом в качестве средства для превращения органического сырья в биомассу. Хорошо известно, что куриный помет оказывает большое воздействие на окружающую среду через длительное выделение парниковых газов при компостировании, поэтому возникает необходимость ускоренной переработки его черной львинкой. Результат биоконверсии птичьего помета с добавлением 10% экстракта зоогумуса или биогумуса показал, что данные комбинации продукта перерабатываются наилучшим образом (таблица 1). Обработка куриного помета личинками черной львинки привела к снижению средней массы сухого вещества отходов на 60 - 65%.

В результате исследования было выявлено, что наибольшая скорость переработки куриного помета характерна при совместном действии на него личинок и синергетических бактерий, которые содержатся в зоо- и биогумусе. Кроме того, в качестве источника белка наиболее пригодны более зрелые личинки, которые достигают большого веса (122,3-137,1 мг/личинка). Сроки развития личинок хорошо согласуются между собой и приближаются к контрольному варианту (Таблица 2). Корм для кур несушек имел самый высокий коэффициент конверсии и самое низкое количество остатка. Зрелые личинки на данном корме были самыми большими и достигали веса почти 180 мг.

Развитие личинок происходило медленнее всего в свежем чистом помете, где для появления первых предкуколок потребовалось 15 дней, а для появления 50% предкуколок – более 18 дней. Анализ основных компонентов был проведен для того, чтобы выделить наиболее важные параметры, влияющие на развитие личинок черной львинки. Было обнаружено, что на параметры компостирования черной львинкой влияют свойства субстрата: коэффициент конверсии отходов в биомассу, развитие личинок (время появления первых предкуколок и появления 50% предкуколок) и конечный вес предкуколки. Показатель выживаемости не сильно различался между различными вариантами субстрата. Все варианты исследований достоверны.

В этой работе представлены количественные данные, полезные для успешной эксплуатации личинок черной львинки в лабораторном масштабе для более чистого и устойчивого управления отходами птицеводства, что приводит к разработке высококачественных продуктов для сельскохозяйственного использования. В частности, это исследование является частью более крупного проекта, направленного на максимизацию роста личинок черной львинки на курином помете и экстракта биогумуса для промышленно-агрономических целей, с использованием белков из предкуколок черной львинки для разработки кормовых добавок и остаточной личиночной фракции в качестве удобрения. Эти цели можно вписать в систему круговой экономики благодаря полной и выгодной валоризации куриного помета и отсутствию остаточных отходов в конце цикла, поскольку зоогумус в конечном итоге возвращается в систему в качестве удобрения для повышения доступности питательных веществ (особенно азота) для сельскохозяйственных культур.

Учитывая оптимизацию выращивания личинок черной львинки, плотность личинок в этих экспериментах составляла 0,8 личинок / см2, что немного ниже, чем плотность личинок 1-2 личинок / см2, предложенный Parra Paz et al., [20], и был выбран в пользу наилучшего развития личинок, избегающих конкуренции за источник пищи. Данные о росте H. illucens, полученные в этом исследовании, в какой-то степени сопоставимы с другими опубликованными работами, в которых в качестве субстрата использовался куриный помет, из-за различных используемых экспериментальных условий [21], [22], [11]. Низкий процент смертности личинок в предварительных испытаниях можно объяснить невысоким содержанием лигнина, молекулы, которого могут не полностью перевариваться черной львинкой. Rehman et al. [22] наблюдали снижение содержания целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина в курином помете, обработанном черной львинкой, хотя снижение содержания лигнина было ниже, чем в двух других полимеров. Разложение этих полимеров черной львинкой было отмечено также для рисовой соломы, кукурузного початка [23], [24] и навоза КРС [25]. Роль симбионтов в кишечном микробиоме имеет решающее значение для гидролиза данных молекул, помогая насекомым в процессе пищеварения [26], [27]. Присутствие микроорганизмов внутри субстрата также может помочь личинкам в процессе разложения отходов: вырабатывать ферменты, которые расщепляют различные волокна, делая продукты микробной активности доступными для роста личинок. Не так давно было показано, что некоторое количество углеводов, не содержащих клетчатку, в дигестате после обработки микроорганизмами практически отсутствует, и личинки черной львинки, выращенные на биогазовом дигестате, имеют более низкий выход по сравнению с теми, которые были выращены на кормах для кур, овощах или пищевых отходах [28].

В наших исследованиях в качестве субстрата для роста личинок черной львинки использовался только куриный помет, и были протестированы два разных экстракта зоогумуса и биогумуса дождевых червей. Результаты показали, что экстракт зоогумуса черной львинки позволяет большему количеству насекомых достичь стадии предкуколки и куколки и приводит к образованию куколок с большим весом. Тем не менее, чтобы дать возможность оптимального роста и выживания личинкам черной львинки, концентрация не должна превышать 10%. Согласно эксперименту, увеличение концентрации зоогумуса и биогумуса червей привело к снижению количества яиц, в то время как куриный помет и вода с 10% экстрактом оказывает положительное влияние на увеличение веса предкуколок. Что касается зоогумуса и биогумуса, мы могли бы предположить, что 10% зоогумус и биогумус, обладают более высоким содержанием микроорганизмов, которые способствуют более быстрой ферментации куриного помета, и положительно сказывается на росте личинок черной львинки. Тем не менее нельзя исключить физиологическое вмешательство определенного комплекса микробиома в кишечник черной львинки. Однако эти аспекты требуют дальнейших исследований.

Экспериментальный проект позволил показать положительное влияние микробиома зоогумуса и биогумуса на рост личинок черной львинки и определить наилучшую смесь для оптимизации количества предкуколок на уровне 89,31% при средней массе 85,4 мг. Эти данные относились к лабораторным испытаниям, в которых субстрат вводили порционно 1 раз в двое суток. Этот аспект положительно повлиял на рост личинок черной львинки, и было показано, что оптимальная суточная норма кормления может улучшить показатели роста личинок [30].

При переработке отходов необходимым параметром с точки зрения устойчивости процесса является общее сокращение исходного субстрата. При проверке оптимизированной смеси куриного помета и экстракта зоогумуса уменьшение содержания субстрата составило около 65,3%, что значительно выше по сравнению с показателями от 37 до 55%, полученными в предыдущих испытаниях с куриным навозом [21], [22]. Эти результаты показывают, что оптимизация состава субстрата при увеличении продуктивности личинок происходит уменьшение количества субстрата, несмотря на присутствие в смеси большого количества целлюлозы.

В данной работе интерес был сосредоточен на устойчивом использовании куриного помета в перспективе увеличения отходов птицеводства [11]. Оптимизация выхода куколок черной львинки была обусловлена максимальным увеличением производства биомассы, так как различные фракции данного насекомого могут представлять собой сырье для разнообразных промышленных целей. Жиры могут быть использованы для производства биотоплива [26], [30], [24], [31], кормов и продуктов питания [32], [11]. Белки, если они не могут быть использованы в кормопроизводстве / пищевой промышленности, могут найти применение в других секторах в качестве биоразлагаемых пластиков [33].

Эта работа показала, что личинки черной львинки представляют собой хороший инструмент для обеспечения чистого и устойчивого обращения с куриным пометом за счет большого сокращения его первоначального количества и содействия его извлечению и использованию в качестве биомассы насекомых и остатков в виде биогумуса. Эта работа является небольшой частью проекта, направленного на устойчивую валоризацию отходов птицеводства с использованием личинок черной львинки в перспективе экономики замкнутого цикла, предназначенного для управления органическими отходами с помощью личинок черной львинки путем разработки пилотной установки для выращивания личинок.

Результаты экспериментов послужили причиной к определению оптимальной смеси субстратов для роста личинок черной львинки и привели к снижению исходной массы помета более чем на 65%. Эти результаты показали улучшение показателей роста черной львинки, а также они могут обеспечить рабочие условия для запуска опытной установки на лучшем субстрате из куриного помета. Однако, чтобы применить на практике предложенную стратегию, необходимы дальнейшие исследования для:

1) оценки микробиологического качества зоогумуса в растениеводстве;

2) оценки физиологического воздействия смеси куриного помета и экстракта биогумуса;

3) проверки использования смесей различных типов биоотходов;

4) разработки конкретных моделей для расширения масштабов технологии.