【小小黑水虻催生萬億級產業】 「你聞聞,有味嗎?」中科院分子植物科學卓越創新中心研究員黃勇平抓起一把黑水虻幼蟲食用濕垃圾后產生的蟲糞,請前來參觀的人過來聞,這些人為無異味而感到驚訝和好奇。

這一幕和三年前黃勇平剛接觸黑水虻時的情景如出一轍。但那時,並沒有人清楚黑水虻幼蟲的「工作原理」。從事昆蟲研究的黃勇平沒有僅僅停留在驚訝和好奇上,決定一探究竟。此後兩年來,黃勇平團隊對黑水虻基因組展開系統研究,開始了探究黑水虻幼蟲 「工作原理」的征程。

彼時,遠在江蘇南京的升申(江蘇)生物環境科技有限公司(以下簡稱升申環境)董事長唐斌正為剛接手的採用黑水虻生物轉化技術處理餐廚垃圾的試點項目犯愁。早期的黑水虻生物轉化濕垃圾技術預處理成本高企、養殖方式粗放不可持續、產能得不到保證、對環境影響無法有效控制,這些都使項目隨時面臨「休克式死亡」,為此唐斌總是提心弔膽。

2019年末,一次偶然的機會,唐斌走進黃勇平團隊的實驗室后,重新看到了希望。那時,黃勇平團隊正在實驗室開展規模化示範試驗。

△ 技術方案逐漸成熟

2017年,中國最早研究黑水虻的華中農業大學教授喻子牛也是抓了一把黑水虻幼蟲的蟲糞,讓黃勇平聞一聞,同樣沒有異味。帶著好奇,黃勇平與喻子牛以及國外學者Jeffery Tomberlin教授迅速組建了攻關團隊。

作為從事昆蟲研究的專家,黃勇平對黑水虻並不陌生。他向《中國科學報》介紹,黑水虻是腐生性的昆蟲,可將禽畜糞便、餐廚垃圾、農副產品下腳料等有機廢棄物作為食物轉化為蛋白質、脂肪類等,已在全世界得到推廣應用。

黑水虻一生中,要經歷卵、幼蟲、蛹和成蟲四個階段。而能夠取食並參与有機廢棄物處理的階段主要是幼蟲階段,黑水虻幼蟲轉化有機廢棄物后產生的主要產品是蟲糞和幼蟲蟲體。蟲糞可直接當做有機肥使用,收穫的幼蟲可加工成動物蛋白飼料添加劑,因此黑水虻幼蟲又被稱為「鳳凰蟲」。

升申環境之所以養殖黑水虻,也是看中了它的價值,但對黑水虻的機理不清楚,這也是黑水虻養殖戶共同的認識盲區。

對此,黃勇平團隊在全球率先開展了黑水虻全基因測序與基因功能註釋研究,建立了基於CRISPR/Cas9黑水虻早期胚胎基因編輯平台,為黑水虻功能基因組的研究與商業化育種提供了理論與技術基礎。

「目前已實現了對黑水虻幼蟲個體大小、眼色與成蟲翅膀發育等形狀的定向改造,並且正在利用前期開發的平台開發生長發育速度更快、轉化效率更高的品種。」黃勇平說。

在此基礎上,黃勇平團隊設計出一套技術方案,可將含水率在65%~90%的餐廚垃圾不經任何脫水、脫油、勻漿化等預處理工藝的情況下,直接投餵給黑水虻幼蟲,後續生物轉化過程也不需要任何人工或機械操作。

「在經過8~10天的處理后,餐廚垃圾一方面轉化為受市場極大歡迎的蟲體飼料,另一方面轉化為可作為有機肥料原料的蟲糞。」黃勇平說。

漸漸地,黃勇平團隊也摸清了適合於城鎮處理系統的黑水虻垃圾資源化處理工藝中的各環節參數與技術條件,包括濕垃圾儲放條件、幼蟲接種量、蟲苗孵育技術、合適的轉化環境條件等,為該系統的標準化、集約化、模塊化奠定了基礎。

△ 工藝系統處處體現「精準」

令唐斌犯愁的事情之一是,收回濕垃圾后,需要按照傳統方法,對回收的垃圾進行離心、分層、脫水與勻漿等預處理,這是造成成本高企的重要原因。另一個難題也隨之出現,依照愈發嚴格的環保要求,預處理后廢水排放怎麼辦?

唐斌所遇到的難題,在黃勇平這裏變得簡單了。

黃勇平團隊率先採用標準化、模塊化的箱體對機廢棄物進行黑水虻生物轉化有。即按日處理30噸濕垃圾為一個模塊來進行設計,計劃建設用房共2500平方米。其中,黑水虻轉化恆溫車間1000平方米、種蟲繁育恆溫車間400平方米、濕垃圾桶存儲與垃圾發酵車間400平方米、產品加工車間500平方米、倉庫200平方米。

這就是該團隊探索建立的黑水虻生物轉化濕垃圾技術方案工藝系統,具體包括濕垃圾收運系統、濕垃圾傾倒系統、生物轉化系統、產品加工系統、乳酸菌擴培系統、廢氣處理系統、種蟲繁育系統。

「我們對每一個工藝環節都進行了系統化與定量化的探索,並制定了最適合的參數指標與相關評價指標。」黃勇平告訴《中國科學報》。

例如,在黑水虻蟲苗孵育環節對蟲苗進行精準定量,與後面的接種蟲苗與輔料環節各條件參數完全匹配,同時採用一次性投喂方式,減少操作環節;將餐廚垃圾經乳酸菌與酵母菌混合菌液預處理1至30天,可降低餐廚垃圾的pH值,有效控制餐廚垃圾存儲過程與黑水虻取食餐廚垃圾過程中的臭味氣體排放,同時可使黑水虻幼蟲更易攝取餐廚垃圾中的營養。

針對唐斌擔憂的濕垃圾預處理后廢水排放難題,黃勇平團隊通過對蟲苗數量的精確定量保證餐廚垃圾處理的周期,並通過對輔料添加的精確定量來控制最終餐廚垃圾與輔料混合物的含水率,使其更適合黑水虻取食,同時避免了垃圾中廢水的排放。

「這種系統化與標準化的流程,可減少利用黑水虻處理餐廚垃圾的成本,並提高黑水虻轉化餐廚垃圾的效率。」黃勇平表示,他們通過這一整體的工藝配套方案,提升黑水虻將餐廚垃圾轉化為自身生物質的能力,實現對餐廚垃圾的資源化利用。

據悉,該套技術工藝方案目前已在升申環境落地,並達到了預期效果。

△ 算清投資回報那筆賬

成蟲交配環節150萬元、種蟲孵育環節150萬元、大型機械環節320萬元、自動化環節380萬元、基礎建設費用500萬元,唐斌和黃勇平以建設日均處理30噸濕垃圾的示範試驗基地為標準,預估了固定資產投資為1500萬元,並結合參數指標與相關評價指標,進行了投資回報評估。

最終,該團隊按年處理10950噸濕垃圾計算,估算出營業收入可達1189.9萬元,扣除成本,可實現453.8萬元營業利潤。「預計三年多就能收回投資。」唐斌告訴《中國科學報》。

就營業收入來源而言,其來源主要是黑水虻蟲體飼料和昆蟲糞便。以蟲體飼料為例,原農業部(現為農業農村部)頒布的飼料原料目錄明確規定,昆蟲粉可作為含油脂蛋白原料納入飼料原料,主要用於替代魚粉使用,並且不設生產許可證管理要求。

「黑水虻蟲體風乾樣粗蛋白質高達40%以上,粗脂肪達到15.94,接近於國產魚粉,跟一級豆粕含量接近。」黃勇平說。因此,黑水虻所生產的昆蟲蛋白可作為飼料原料銷售。據統計,我國蛋白飼料原料進口量全球第一,對外依賴程度超過70%。由於國際海洋漁業萎縮以及目前複雜的國際形勢,魚粉供應不足,價格不斷上升。

黑水虻蟲體效用不止於此。抗菌肽、中鏈脂肪酸廣泛存在於黑水虻幼蟲中,成為近年來生物醫藥領域研究熱點。「若能在生物醫藥領域有所突破,將為該技術帶來更廣闊的市場前景。」

黑水虻預蛹蟲殼也是一個寶。黃勇平介紹,預蛹蟲殼所含有的大量殼聚糖在醫藥、食品、化工、化妝品等諸多領域的應用研究取得了重大進展。針對患者,殼聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究報告。同時,殼聚糖被作為增稠劑、被膜劑列入國家食品添加劑使用標準。

我國每年濕垃圾約1.6億噸,畜禽排泄物約38億噸,再加上工業生產排出的約6000萬噸發酵殘渣,總數約為40億噸。「如果利用這些有機廢棄物的10%,則能夠產生8000萬噸鮮蟲和1億噸優質有機肥的原料性產品,再將這些原料進行一次性深加工,總產值達到萬億級不是問題。」黃勇平告訴《中國科學報》。

然而,黃勇平的重點不是放在掙多少錢上。他和合作夥伴希望通過大家的共同努力將讓人頭痛的各種有機廢棄物轉化成新的資源。

「與傳統的填埋、焚燒、好氧堆肥與厭氧發酵法等相比,利用黑水虻幼蟲處理餐廚垃圾具有成本低、轉化效率高、無二次污染、資源化程度高等特點。」黃勇平表示,而與蚯蚓、蟑螂、黃粉蟲、蠅蛆等低等動物的生物轉化媒介相比,黑水虻的優勢明顯。黑水虻一方面對高鹽、高油、水分含量高的環境具有更強的適應力與生物轉化效率;另一方面不攜帶人或動物致病菌,沒有生物安全方面的風險。

至於黑水虻為何不攜帶致病菌、還能降解抗生素,黃勇平團隊正聯合其他科研院校協同攻關,並致力於黑水虻蟲體高附加值產品的研究和產業化。http://t.cn/A6q1AY32

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