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蝇蛆:抗生素残留的清道夫

作者:南方周末特约撰稿 张淼

研究人员在新型蝇蛆养殖场观看蝇蛆的生长。他们期待蝇蛆在废弃物生物转化与降解的同时,获得数量可观的蝇蛆蛋白与有机肥。(南方周末资料图/图)

研究人员在新型蝇蛆养殖场观看蝇蛆的生长。他们期待蝇蛆在废弃物生物转化与降解的同时,获得数量可观的蝇蛆蛋白与有机肥。(南方周末资料图/图)

科学家早已发现蝇蛆能够降解环境废弃物,是优质蛋白质的来源。最近浙江大学张志剑副教授领导的团队进一步发现,蝇蛆肠道微生物还能够降解动物粪便中的抗生素及耐药基因。这一发现为解决中国饲养业中突出的环境问题提供了新思路。

这是一项有味道的科学进展。

“夏须瓮盛泥封,勿令蝇蛆。”北魏时期,贾思勰在介绍农业技术的《齐民要术》中提到,夏天要用泥土封口的容器存放农作物,以免生蛆。这可能是对“蛆”的最早记载。

蛆是苍蝇的幼虫,自古以来,我们就把它视为污秽之物,避而远之。上世纪六十年代以来,生态与环境科学家发现了蝇蛆不仅能降解环境废弃物,还是优质蛋白质的来源,便开始利用它来处理动物养殖的粪便。

最近,浙江大学环境与资源学院副教授张志剑带领团队进一步发现,蝇蛆肠道微生物能够降解动物粪便中的抗生素及耐药基因。业内人士指出,蝇蛆的这一新功能将会对解决中国饲养业的突出环境问题提供新思路。

嗜腐性的“分解者”

2011年前后,浙江德清县新安镇的生猪养殖场规模越做越大,猪粪的处理成为当地农民最大的困扰。当时,3万多头生猪每天要产生粪便30多吨,已经成为当地最大的污染源。最终,在张志剑的帮助下,村民郑建国通过养殖以粪便为食的蝇蛆,解决了猪粪处理的问题。

这是张志剑团队研发的“新一代蝇蛆生物转化技术工程”的一次实践。

此次项目的成功,离不开人们对蝇蛆习性的科学认识。从生态学上讲,家蝇及其幼虫均属“双翅目(Musca domestica)”,在地球生态系统中扮演着“分解者”的角色。多年来,正是利用这一特殊的天然属性,科学家们将蝇蛆驯化成一种昆虫与环境微生物协同作用的新型生物反应器。

事实上,一开始,研究蝇蛆的科学家们并不具备生态学的观点,只是单纯地追求蝇蛆身上优质的蛋白质。长久以来,生产蛋白质一直是科学家们对蝇蛆关注的重点。特别在蛋白质饲料全球短缺的今天,联合国粮农组织(FAO)也倡议,开展可食用昆虫为主的“微家畜农场”研发与应用,实现“虫粉”替代“鱼粉、豆粉及奶粉”。

1969年,美国科学家米勒(Miller B.F)在探索各类蝇蛆饲养环境时首次提出,蝇蛆能够作为饲料为畜禽提供蛋白,同时养鸡场的条件也非常有利于蝇蛆从卵长成蛹,二者可以相互利用。讨论结果发表在当年出版的《饲料》(Feedstuffs)杂志上。

也有专家指出,米勒的假设在商业上难以实现规模化。随后,米勒在研究中发现,蝇蛆在养鸡场中的作用远不止提供优质蛋白,它更是一种处理鸡粪的绝佳“反应器”。

1974年,米勒在《英国家禽学报》(British Poultry Science)上发表了这一新发现。他指出,27摄氏度和湿度为60%到75%的新鲜家禽粪便,是蝇蛆最佳的发育环境。在为期5到7天处理周期内,蝇蛆降解粪便有机质高达80%,同时每处理一吨粪便,能获得新鲜蝇蛆65到90千克。这些蝇蛆的粗蛋白含量达到60%以上。

这是世界上首次采用现代工程技术的手段,驯养家蝇并利用其幼虫蝇蛆来处理养鸡场粪便。

随后,米勒的这篇论文被大量引用。荷兰、英国、西班牙等国家的动物学家及环境科学家也纷纷仿效这一成功做法,以应对规模化养殖场畜禽粪便污染和饲料蛋白不足的双重问题。

科学家发现,蝇蛆对畜禽粪便的生物转化首先要通过对粪便进行破碎、翻转、通气等物理过程,使废弃物充分而有效地“暴露”在蝇蛆和环境微生物中。生物学的发展则让科学家们逐渐认识到蝇蛆生物转化的生化作用。

2012年,斯洛伐克科学院动物研究所研究人员海伦娜·西柯科娃(Helena Cickova)和同事们从两个商业养猪场和动物技术中心获得了三个不同来源的猪粪。研究人员随后对这些粪便被蝇蛆降解的数据进行了详细记录,发现用1公斤湿的猪粪能产生43克至74克不等的蝇蛆,而经过生物降解后的重量只剩下0.18至0.65公斤残渣。这项成果发表在《公共科学图书馆·综合》上。

根据海伦娜的研究,蝇蛆能让猪粪降解40%至80%。定量的数据比定性的描述让环境科学家们感到更加兴奋。

张志剑告诉南方周末,蝇蛆的作用主要是“酶降解”。“虫体内脏,特别是消化系统分泌的蛋白酶、酯酶、淀粉酶、纤维素酶、几丁质酶等,将废弃物中蛋白质、脂肪及碳水化合物等有机大分子快速地降解成易溶解、易吸收的小分子有机物。”

进一步地,大约三分之二的小分子有机物通过蝇蛆新陈代谢进一步降解成二氧化碳、水及无机物质,而约三分之一的有机物通过生长发育转化成蝇蛆体本身。

蝇蛆对防控耐药基因进入环境系统的效能十分显著。(南方周末资料图/图)

蝇蛆对防控耐药基因进入环境系统的效能十分显著。(南方周末资料图/图)

工程化应用

作为世界养殖大国,中国科学家在开展蝇蛆处理养殖废弃物的技术研究上贡献良多。例如,江苏农科院赵伟等研究人员指出,蝇蛆处理技术可显著减少鸡粪的排放量,而用鸡粪替代90%蝇蛆培养基(如麸皮),产蛆量最高。而四川农业大学白林等研究人员则发现,6天中,蝇蛆能快速降低粪便恶臭,粪便总重量减少约50%,而蝇蛆生长与新陈代谢对粪便的微生物好氧分解极为有利。他们提出,可直接利用这种粪便进行堆肥化处理,生产优质有机肥料。

就在科学家将有关蝇蛆的理论发表在学术期刊上时,农业生产者早就按捺不住想要一试身手。许多有关养殖蝇蛆的条件和方法从科学界口耳相传到了生产一线。

2000年后,浙江省德清县新安镇村民郑建国就从朋友那里得知了养殖蝇蛆的方法。他找朋友要来了一些种蝇,在相对密闭的空间中让它们繁殖,并喂食红糖、奶粉和水。蝇蛆孵化后再用一点麸皮。

郑建国按照生产经验了解到,一只雌蝇一次能产卵约100枚,在28摄氏度的温度下,8至10个小时即可孵化出幼虫。喂食一点猪粪,幼虫毫无意外地茁壮成长,经过两次蜕皮后慢慢化蛹,最后羽化成成虫。这的确和科学家经过实验得到的结论相差不大。

不过,当郑建国改造了一个肥料厂房,计划扩大蝇蛆的生产规模时,却遭遇了一次“滑铁卢”——冬天来临时,浙江地区的温度只有十几度,蝇蛆因为低温而全部死亡。这时,郑建国试图用塑料薄膜覆盖在养殖池中,达到保温的目的。但粪便中蒸发出的水分又因为薄膜的遮挡滴回养殖池中,“淹”死了本就脆弱的幼虫。

长期从事养殖场废弃物处理研究的张志剑关注到郑建国的难题。张志剑回忆,他第一次到郑建国养殖场时便意识到,只有想办法做到工程化,论文中的科学发现才能解决现实问题。

于是,张志剑带领团队帮助郑建国改用温室大棚来养殖蝇蛆。“这是一个半封闭的环境,阳光进来不容易散失,湿度也更容易调控。”张志剑的建议很快见了效,从此,郑建国成为中国第一家大规模工程蝇养殖户。

在这里,特制温室大棚取代常规砖瓦厂房,实现了最佳的蝇蛆养殖与废弃物转化所需的环境温度15至30摄氏度、相对湿度45%至75%、光照及通风,并在几乎不消耗能源的条件下确保蝇蛆工厂像蔬菜大棚一样全季节运行。同时,他们还用“模块化构建蝇蛆技术”取代作坊式生产,按家蝇生活史,构建封闭独立的种蝇育培区、蝇卵孵化区、废弃物蝇蛆生物转化区、蛆-堆体分离区、蝇蛆初加工区等功能区,确保流水线作业的基础上实现各功能区的机械化,提高工程整体运行效能。

这项工程被称为“新一代蝇蛆生物转化技术工程”,如今已经在中国长三角地区实现规模化生产。张志剑介绍,这项工程的测试表明,在气温25至28摄氏度、相对湿度65%至75%的初夏条件下,经过平均5天的蝇蛆生长代谢及生物转化后,猪粪总重量、干物质及水分去除率平均达到67%、21%和80%,每吨猪粪将收获新鲜蝇蛆95至120千克。

同时,将蝇蛆转化后的猪粪残渣经过15至20天的堆肥工艺后,还可得到腐熟的虫粪有机肥。

目前,这项技术工程在浙江德清、杭州、嘉兴等地实施,年处理猪粪累计达到8.5万吨,蝇蛆产量年均达到8600吨,虫粪有机肥产量年均达到2.6万吨。在生态学和环境学专家看来,将蝇蛆加入养殖业的生态系统循环后,经济效益和环境效益都相当可观。

清理抗生素残留

近年来,针对微生物的研究层出不穷,这为环境科学家带来了启示。

2014年,作为中科院“土壤-微生物系统功能及其调控”先导专项的首席科学家,中科院城市环境研究所研究员朱永官带领团队,开始对中国主要类型土壤微生物组成、格局及演替规律进行系统研究。

与此同时,张志剑也开始以微生物的视角研究蝇蛆降解废弃物的转化原理。在近期的一项研究中,研究人员对比了饲养蝇蛆前后的猪粪后发现,蝇蛆肠道微生物显著地“改造”了猪粪的微生物种群结构,成为以变形杆菌(Proteobateria)为主的种群结构。

张志剑告诉南方周末:“这使得我们最终能够更高效地协同降解有机物、控制恶臭气体及防控病源微生物。”

2012年底,上述两位环境科学家因为对微生物的共同兴趣,开始了合作实验。他们将科学问题聚焦在养殖场废弃物抗生素和耐药基因残留上。

抗生素过量使用及滥用已成为全球性公共健康问题。畜禽粪便作为有机肥料施入农田,存在着残留抗生素、耐药基因在环境中扩散的巨大隐患,由此造成的环境健康风险不容忽视。

张志剑、朱永官带领团队,联合美国阿贡国家实验室环境微生物学的杰克·吉尔伯特(Jack Gilbert)小组采用基因检测的方法,选取了中国养殖业常见的9种畜牧饲料添加抗生素,对采集的猪粪进行了分析。

研究人员发现,经过6天蝇蛆转化后,猪粪中四环素、土霉素、金霉素、磺胺嘧啶以及环丙沙星等5种抗生素的含量比猪粪原样显著下降三成至七成。而强力霉素、诺氟沙星、氧氟沙星等3种抗生素残留也呈下降趋势。

同时,利用高通量耐药基因芯片技术,他们在猪粪便中检测到了158个耐药基因,经过蝇蛆生物转化,其中约94个耐药基因的丰度减少了85%。

这两组数据足以让科学家们得出结论:“蝇蛆对防控耐药基因进入环境系统的效能十分显著。”

进一步的生物信息学分析表明,正是蝇蛆肠道的“微环境”发挥了作用——显著降低了猪粪中大量潜在的耐药病原菌。他们还从进化学角度阐释,蝇蛆肠道微生物有极高的“进化选择压力”,这使得大部分残留抗生素因为“不适应”肠道环境而得到削减。

《国际微生物生态学会会刊》(《The ISME Journal》)自2015年以来陆续刊发了中国研究者围绕蝇蛆的几项研究。

张志剑在其中一篇论文中写道:“蝇蛆的这一特殊功能对于防控环境残留抗生素污染及其耐药基因扩散具有重要意义,为解决全国畜禽养殖业抗生素残留污染及其耐药基因扩散难题带来新的契机。”

据了解,这项研究成果已经开始在位于浙江的几家生猪养殖企业尝试工程化应用。

“以废治废”是环境科学家的追求之一。他们期待,蝇蛆在废弃物生物转化与降解的同时,获得数量可观的蝇蛆蛋白与有机肥,这将是一个“双赢”的方案。

文章来源:南方周末

原文链接:http://www.infzm.com/content/118895

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