小小“凤凰虫”如何催生万亿级产业

作者 |秦志伟

“你闻闻，有味吗？”中科院分子植物科学卓越创新中心研究员黄勇平抓起一把黑水虻幼虫食用湿垃圾后产生的虫粪，请前来参观的人过来闻，这些人为无异味而感到惊讶和好奇。

这一幕和三年前黄勇平刚接触黑水虻时的情景如出一辙。但那时，并没有人清楚黑水虻幼虫的“工作原理”。

从事昆虫研究的黄勇平没有仅仅停留在惊讶和好奇上，决定一探究竟。此后两年来，黄勇平团队对黑水虻基因组展开系统研究，开始了探究黑水虻幼虫 “工作原理”的征程。

彼时，远在江苏南京的升申（江苏）生物环境科技有限公司（以下简称升申环境）董事长唐斌正为刚接手的采用黑水虻生物转化技术处理餐厨垃圾的试点项目犯愁。

早期的黑水虻生物转化湿垃圾技术预处理成本高企、养殖方式粗放不可持续、产能得不到保证、对环境影响无法有效控制，这些都使项目随时面临“休克式死亡”，为此唐斌总是提心吊胆。

2019年末，一次偶然的机会，唐斌走进黄勇平团队的实验室后，重新看到了希望。那时，黄勇平团队正在实验室开展规模化示范试验。

技术方案逐渐成熟

2017年，中国最早研究黑水虻的华中农业大学教授喻子牛也是抓了一把黑水虻幼虫的虫粪，让黄勇平闻一闻，同样没有异味。带着好奇，黄勇平与喻子牛以及国外学者Jeffery Tomberlin教授迅速组建了攻关团队。

作为从事昆虫研究的专家，黄勇平对黑水虻并不陌生。他向《中国科学报》介绍，黑水虻是腐生性的昆虫，可将禽畜粪便、餐厨垃圾、农副产品下脚料等有机废弃物作为食物转化为蛋白质、脂肪类等，已在全世界得到推广应用。

黑水虻一生中，要经历卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段。而能够取食并参与有机废弃物处理的阶段主要是幼虫阶段，黑水虻幼虫转化有机废弃物后产生的主要产品是虫粪和幼虫虫体。

虫粪可直接当做有机肥使用，收获的幼虫可加工成动物蛋白饲料添加剂，因此黑水虻幼虫又被称为“凤凰虫”。

升申环境之所以养殖黑水虻，也是看中了它的价值，但对黑水虻的机理不清楚，这也是黑水虻养殖户共同的认识盲区。

对此，黄勇平团队在全球率先开展了黑水虻全基因测序与基因功能注释研究，建立了基于CRISPR/Cas9黑水虻早期胚胎基因编辑平台，为黑水虻功能基因组的研究与商业化育种提供了理论与技术基础。

“目前已实现了对黑水虻幼虫个体大小、眼色与成虫翅膀发育等形状的定向改造，并且正在利用前期开发的平台开发生长发育速度更快、转化效率更高的品种。”黄勇平说。

在此基础上，黄勇平团队设计出一套技术方案，可将含水率在65%~90%的餐厨垃圾不经任何脱水、脱油、匀浆化等预处理工艺的情况下，直接投喂给黑水虻幼虫，后续生物转化过程也不需要任何人工或机械操作。

“在经过8~10天的处理后，餐厨垃圾一方面转化为受市场极大欢迎的虫体饲料，另一方面转化为可作为有机肥料原料的虫粪。”黄勇平说。

渐渐地，黄勇平团队也摸清了适合于城镇处理系统的黑水虻垃圾资源化处理工艺中的各环节参数与技术条件，包括湿垃圾储放条件、幼虫接种量、虫苗孵育技术、合适的转化环境条件等，为该系统的标准化、集约化、模块化奠定了基础。

工艺系统处处体现“精准”

令唐斌犯愁的事情之一是，收回湿垃圾后，需要按照传统方法，对回收的垃圾进行离心、分层、脱水与匀浆等预处理，这是造成成本高企的重要原因。

另一个难题也随之出现，依照愈发严格的环保要求，预处理后废水排放怎么办？

唐斌所遇到的难题，在黄勇平这里变得简单了。

黄勇平团队率先采用标准化、模块化的箱体对机废弃物进行黑水虻生物转化有。

即按日处理30吨湿垃圾为一个模块来进行设计，计划建设用房共2500平方米。

其中，黑水虻转化恒温车间1000平方米、种虫繁育恒温车间400平方米、湿垃圾桶存储与垃圾发酵车间400平方米、产品加工车间500平方米、仓库200平方米。

这就是该团队探索建立的黑水虻生物转化湿垃圾技术方案工艺系统，具体包括湿垃圾收运系统、湿垃圾倾倒系统、生物转化系统、产品加工系统、乳酸菌扩培系统、废气处理系统、种虫繁育系统。

“我们对每一个工艺环节都进行了系统化与定量化的探索，并制定了最适合的参数指标与相关评价指标。”黄勇平告诉《中国科学报》。

例如，在黑水虻虫苗孵育环节对虫苗进行精准定量，与后面的接种虫苗与辅料环节各条件参数完全匹配，同时采用一次性投喂方式，减少操作环节；将餐厨垃圾经乳酸菌与酵母菌混合菌液预处理1至30天，可降低餐厨垃圾的pH值，有效控制餐厨垃圾存储过程与黑水虻取食餐厨垃圾过程中的臭味气体排放，同时可使黑水虻幼虫更易摄取餐厨垃圾中的营养。

针对唐斌担忧的湿垃圾预处理后废水排放难题，黄勇平团队通过对虫苗数量的精确定量保证餐厨垃圾处理的周期，并通过对辅料添加的精确定量来控制最终餐厨垃圾与辅料混合物的含水率，使其更适合黑水虻取食，同时避免了垃圾中废水的排放。

“这种系统化与标准化的流程，可减少利用黑水虻处理餐厨垃圾的成本，并提高黑水虻转化餐厨垃圾的效率。”黄勇平表示，他们通过这一整体的工艺配套方案，提升黑水虻将餐厨垃圾转化为自身生物质的能力，实现对餐厨垃圾的资源化利用。

据悉，该套技术工艺方案目前已在升申环境落地，并达到了预期效果。

算清投资回报那笔账

成虫交配环节150万元、种虫孵育环节150万元、大型机械环节320万元、自动化环节380万元、基础建设费用500万元，唐斌和黄勇平以建设日均处理30吨湿垃圾的示范试验基地为标准，预估了固定资产投资为1500万元，并结合参数指标与相关评价指标，进行了投资回报评估。

最终，该团队按年处理10950吨湿垃圾计算，估算出营业收入可达1189.9万元，扣除成本，可实现453.8万元营业利润。“预计三年多就能收回投资。”唐斌告诉《中国科学报》。

就营业收入来源而言，其来源主要是黑水虻虫体饲料和昆虫粪便。以虫体饲料为例，原农业部（现为农业农村部）颁布的饲料原料目录明确规定，昆虫粉可作为含油脂蛋白原料纳入饲料原料，主要用于替代鱼粉使用，并且不设生产许可证管理要求。

“黑水虻虫体风干样粗蛋白质高达40%以上，粗脂肪达到15.94，接近于国产鱼粉，跟一级豆粕含量接近。”黄勇平说。

因此，黑水虻所生产的昆虫蛋白可作为饲料原料销售。据统计，我国蛋白饲料原料进口量全球第一，对外依赖程度超过70%。由于国际海洋渔业萎缩以及目前复杂的国际形势，鱼粉供应不足，价格不断上升。

黑水虻虫体效用不止于此。抗菌肽、中链脂肪酸广泛存在于黑水虻幼虫中，成为近年来生物医药领域研究热点。“若能在生物医药领域有所突破，将为该技术带来更广阔的市场前景。”

黑水虻预蛹虫壳也是一个宝。黄勇平介绍，预蛹虫壳所含有的大量壳聚糖在医药、食品、化工、化妆品等诸多领域的应用研究取得了重大进展。

针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报告。同时，壳聚糖被作为增稠剂、被膜剂列入国家食品添加剂使用标准。

我国每年湿垃圾约1.6亿吨，畜禽排泄物约38亿吨，再加上工业生产排出的约6000万吨发酵残渣，总数约为40亿吨。

“如果利用这些有机废弃物的10%，则能够产生8000万吨鲜虫和1亿吨优质有机肥的原料性产品，再将这些原料进行一次性深加工，总产值达到万亿级不是问题。”黄勇平告诉《中国科学报》。

然而，黄勇平的重点不是放在挣多少钱上。他和合作伙伴希望通过大家的共同努力将让人头痛的各种有机废弃物转化成新的资源。

“与传统的填埋、焚烧、好氧堆肥与厌氧发酵法等相比，利用黑水虻幼虫处理餐厨垃圾具有成本低、转化效率高、无二次污染、资源化程度高等特点。”黄勇平表示，而与蚯蚓、蟑螂、黄粉虫、蝇蛆等低等动物的生物转化媒介相比，黑水虻的优势明显。

黑水虻一方面对高盐、高油、水分含量高的环境具有更强的适应力与生物转化效率；另一方面不携带人或动物致病菌，没有生物安全方面的风险。

至于黑水虻为何不携带致病菌、还能降解抗生素，黄勇平团队正联合其他科研院校协同攻关，并致力于黑水虻虫体高附加值产品的研究和产业化。

《中国科学报》 (2020-12-25 第3版 转移转化)

编辑 | 赵路

排版 | 志海