比较温室气体生产的黑人士兵,蝇幼虫和需氧微生物分解有机饲料的材料

文摘

大多数食物垃圾和粪便在发达国家生产目前处置利用需氧或厌氧微生物分解。前者发生在堆肥,而后者发生在泻湖和垃圾填埋场。微生物分解有机物或每年排放大量的温室气体,主要是二氧化碳(CO2)的形式和甲烷(CH4)。联合国粮食及农业组织估计,这些排放在2011年总计3.5吨二氧化碳当量。使用黑人士兵的一个潜在的优势蝇的幼虫(BSFL)是动物的能力回收大量的碳成可食用昆虫蛋白质和油脂而不是简单地将它分解成二氧化碳和甲烷。我们试图通过实验量化的潜在影响可能产生的温室气体排放利用BSFL作为碳的经济和环境有用的水库,否则被微生物分解释放到大气中。相同数量的潮湿饲料材料被允许完全被BSFL或微生物。在7天BSFL完全饲料消耗材料;微生物分解需要45天前的材料似乎完全消耗。基于碳质量平衡,BSFL在场时,28.54%的碳系统内部提供最初是输给了大气中二氧化碳的形式以及一个微不足道的甲烷。 When BSFL were not present, 48.62% of the original carbon present was lost to the atmosphere. The difference between the two systems with respect to carbon lost to the atmosphere was statistically significant (p<0.05). Insect larvae converted an average of 41% of the feed carbon present into body mass in the forms of protein, edible oil, and chitin.

介绍

大量的有机浪费全球每年产生。最近,黑人士兵苍蝇的幼虫的独特性质(Hermetia illucens)激发了相当大的兴趣在使用这种昆虫作为替代的有机废料的处理手段1- - - - - -3]。仅美国就产生大约6650万吨食品垃圾,每年超过10亿吨的动物粪便4,5]。全球生产高得多;据估计,13亿吨,每年生产近三分之一的食物,是输给了浪费和腐败6]。绝大多数的材料放入堆肥操作,垃圾填埋场,和泻湖,散布到领域被微生物分解成二氧化碳(有限公司₂),甲烷(CH₄)和无机化合物。温室气体的体积(温室气体)中创建的过程是相当大的。在世界范围内,独自肥料产生超过1800万吨的CH₄排放每年通过厌氧分解(7]。因为CH₄是更有效的温室气体比有限公司₂,这是大气变暖相当于超过5亿吨的有限公司₂(8]。更高的有限公司₂每年返回大气层的有氧分解食物垃圾和粪便。因为温室气体产生的有机废物的分解是重要的在全球尺度上(例如,~ 10%的全球CH₄预算),这将是有用的开发回收的方法,将有助于减少其对环境的不利影响。

黑人士兵飞(Hermetia illucens)是一种non-pest昆虫,被认为是一个有用的手段,将食物浪费,动物粪便,和其他有机基质成蛋白质,食用油,甲壳素。黑人士兵苍蝇幼虫(BSFL)是贪婪的捕食者,并能消耗自己的体重两倍以上的猪或家禽粪便每天在适宜的条件下(9]。BSFL不仅迅速消化的饲料原料,他们将它转换为相对高价值产品,如蛋白质和食用油。干黑人士兵飞prepupae含有42%的蛋白质和35%的脂肪,和已被证明是一个优秀的猪饲料来源,家禽和鱼(10- - - - - -12]。黑人士兵fly-mediated回收也有其他好处,包括减少腐烂的有机物质的气味,减少房子和稳定的数量,减少有机废物的质量。BSFL美联储在肥料被证实能够减少大肠杆菌和沙门氏菌的物种的数量剩余材料107 (13,14]。在处理有机废物通过喂养黑人士兵飞幼虫是很有前途的,我们不知道任何研究量化其潜在影响温室气体的生产相比其他有氧堆肥等“绿色”技术。有几种方式BSFL可能产生有利的影响环境特别是在通用和碳排放。首先,BSFL收获和保存能提供一个短期的方法,固碳释放到大气中会因微生物分解的过程。第二,食物环境生产成本;农业生产提供了最多的食物系统的温室气体排放,释放高达120亿吨CO₂相当于一年(15]。通过直接将食物垃圾回食用蛋白质和油脂,可以利用动物或人,BSFL可以减少温室气体的主要农业生产。第三,大量的食物仍在野外获得的收获饲料鱼用于鱼粉和处理它们。全球捕获的鱼饲料、鱼粉生产自1994年以来大幅下降(16]。以至于BSFL可以替代鱼粉作为宝贵的动物和水产养殖饲料来源的使用可以减少燃料消耗,渔船和脆弱的野生鱼库存的压力。作为第一步评估的潜在环境影响大规模BSFL生产我们进行了一个实验来测量大量的含碳气体释放BSFL和有氧微生物消化由测量碳质量平衡,并比较它们的相对生产二氧化碳和甲烷。

材料和方法

材料

六个950毫升球mason jar被用作饲料的容器材料用于这项研究。两种类型的每个jar screwon金属盖子了。第一类型的盖子是穿孔以及一半的宽度有七十1.5毫米的洞,让空气进出的jar。第二种类型的盖子保持密闭,配备了一个接头套管隔舱壁,可用于绘图的空气样本用50毫升鲁尔接口锁定皮下注射针头和注射器。提要材料本身由回报®蛋层定量颗粒与自来水60%饱和重量/体重的基础上。新鲜野生兔粪干,作为微生物的接种堆肥材料的来源。七到十天的老黑人士兵飞幼虫从Symton黑人士兵飞解决方案(http:// www.symtonbsf.com)被用于研究BSFL手臂。两个红外热元素连接到一个恒温器被用来实验系统保持在一个恒定的温度25°C。传统电动食品脱水器(Nesco收获400)和托盘覆盖被用来干幼虫和残余消化物质在105°C 24小时。

试验装置和取样

初步试验,以确定最优运行喂养率实际实验和估计所需的消化时间控制和BSFL容器和盖子测试,系统上的密封和抽样过程。进行实验本身,六个梅森罐称重和标记1 - 6。瓶1 - 3被分配到BSFL手臂的审判,而罐子3 - 6作为有氧分解/堆肥控制。批饲料材料组成的鸡饲料63克、83毫升的水,和0.2克干兔子彻底混合肥料,可以坐15分钟,然后添加到每个jar。六批随机抽样debris-free黑人士兵蝇的幼虫在2^nd3^{理查德·道金斯}龄是手动计算出来的每一批714的幼虫。重每一批,一批是放在每个罐1 - 3。盖子被穿孔旋紧到每个六瓶。穿孔的罐子放在身体两侧的盖子的,每天,轻轻摇晃混合内容。其余三个初始批BSFL杀死幼虫,然后冷冻干燥,称重,并保存供以后化学分析。权重的平均值作为参考价值的幼虫添加到每个jar的干重。每天第一个7天,一系列的空气样本来自每个室在大致相同的时间每一天(10点)使用一个标准的过程。穿孔盖子被撤的jar和盖接头套管隔堵头连接件连接。注射器的针头是立即插入通过隔膜和90毫升的室内空气注入。三个30毫升样品室的空气然后在注射器装有Luer-locks:一个立即(t = 0),在3分钟(t = 3),在六分钟后(t = 6)密封罐子里。 Each air sample was labeled and sent for gas chromatograph analysis to measure the concentration of methane and carbon dioxide. After 7 days of incubation the larvae appeared to have eaten all of the available feed material. Jars 1-3 were emptied of their contents and the larvae were separated from the residual material. Each batch of larvae was killed by freezing, dehydrated, weighed and packaged for later chemical analysis. The residual material was also dried, weighed, and packaged for chemical analysis. After 45 days of incubation jars 3-6 were judged to have consumed all of the available feed material. The contents of each jar were then dried, weighed, and packaged as described previously. A sample of the original dry chicken feed material was also packaged (图1)。

试验装置对BSF温室气体生产实验

空气、材料和统计分析

空气样本瓶都被立即送往气体色谱法波特兰州立大学的实验室,定量分析了二氧化碳和甲烷的含量。甲烷浓度测量火焰离子化气相色谱检测HP 5890 GC-FID。校准是基于NIST SRM (165917]。二氧化碳浓度是衡量非色散红外光谱学LICOR模型840 NDIR乐器。校准是基于NIST SRM (167218]。CH的精密测量₄和有限公司₂比1%。CH的净排放₄和有限公司₂是由线性回归的浓度随时间的变化和表达为微克每分钟的报告标准错误回归(17]。鸡饲料样品、干幼虫和残余消化材料发送到密西西比州密西西比州立大学化学实验室和分析的百分比的总碳元素分析。统计分析是比较BSFL控制武器的实验使用池,双面的,学生的t。

结果

气相色谱法

气相色谱分析表明,二氧化碳的形象生产BSFL和微生物分解/控制罐明显不同的实验在前七天。平均测量有限公司₂发射率BSFL实验确定为5000±3200 ug有限公司₂/分钟(图2)。BSFL有限公司₂产量增长迅速从1550±200 ug有限公司₂1天/分钟4900±1000 ug有限公司₂/分钟5天,然后尽快下跌近他们的食物来源是筋疲力尽了。平均测量有限公司₂发射率在微生物控制实验是1700±950 ug有限公司₂/分钟,明显低于BSFL实验。还BSFL实验相比,微生物控制有限公司₂生产开始接近于零(12±12 ug有限公司₂/分钟),逐步增加到1820±560 ug有限公司₂7天/分钟的气体采样周期总结道。集中公司的差异₂BSFL之间的生产和控制罐非常显著(p < 0.01)为实验1 - 7天(表1)。

表1。平均二氧化碳排放速度值和标准差为三个有氧微生物分解/控制罐和三个BSFL前七天的实验。

增强BSFL有机物的降解率

表1。平均二氧化碳排放速度值和标准差为三个有氧微生物分解/控制罐和三个BSFL前七天的实验。

发射率的CH₄BSFL和微生物控制较低和高度变量(图3)。发射率从BSFL范围从-0.05±0.09 ug CH₄/分钟,0.03±0.03 ug CH₄/分钟(平均-0.01±0.02 ug CH₄/分钟)。控制实验范围从-0.02±0.1 ug CH₄/分钟,0.42±0.66 ug CH₄/分钟(平均0.11±0.16 ug CH₄/分钟)。无论是CH₄微生物控制发射率从BSFL也被发现在高水平的信心大大不同于零(p > 0.20)。合并这两个模式之间的差异还没有达到高水平的统计学意义(p = 0.20)。这些结果支持有氧分解过程的主导地位BSFL和微生物控制。

碳的质量平衡

碳质量平衡计算开始时和结束时的45天内BSFL和微生物分解/控制罐。饲料在每个实验的初始质量63.0克。碳含量的饲料由元素分析确定为28.34%。实验结束时剩余的饲料和残渣质量(一起)被确定为BSFL范围从16.0 - -16.50 g和23.40 - -29.30 g为控制实验。碳含量的饲料和残渣(组合)的实验测量和平均为34.44%。饲料质量损失在BSFL jar(饲料质量-渣质量)平均46.7±0.3克(74%)相比,37.3±3.2克(59%)控制实验。碳损失(饲料残碳-碳)被发现为12.4±0.2克(70%)BSFL实验和8.7±1.5克(49%)的控制。质量损失和碳损失差异BSFL和控制实验是重要的在高水平的信心(p值≤0.05,双边汇集t检验),这表明BSFL显著提高生物质降解这些实验。最初的幼虫质量在每个BSFL jar是8.10克,碳含量是确定为52.26%。实验终止的幼虫在BSFL集装箱平均23.0±0.7克(增加190%)和碳含量平均为50.3±0.5%。 In containers that were used to grow BSF larvae, an average of 41% of the feed carbon present was converted to protein, edible oil, and chitin. Based on carbon mass balance of feed, residue and BSFL before and at the end of the experiment, carbon lost to the atmosphere was calculated to be 5.1 ± 0.2 g for BSFL experiments and 8.7 ± 2 g for control experiments. This difference was determined to be significant at a high level of confidence (p value=0.05, two-sided pooled t-test). Thus, based on mass balance, despite enhanced rates of organic degradation in neonate experiments (over the controls) net loss of carbon to the atmosphere was smaller due to carbon storage within the BSFL themselves (average 7.4 g) (图4)。

讨论

黑人士兵蝇幼虫是了不起的回收。他们能够迅速将几乎任何类型的食品或有机废弃物变成可食用蛋白质,油,和几丁质的外骨骼,可以加工成各种有用的产品(19]。最近的一次拉兰得的定量研究,et al。14跟着物流通过连续BSFL反应堆一段9周,使用猪的粪便,狗粮,和人类粪便作为饲料来源。结果显示总固体量减少55.1%和11.8%的转换成昆虫生物量。固体材料中的氮含量下降了56.8%,而磷35.3%,这种材料的一部分被纳入BSFL和其余的形式释放氨气或丢失由于实验和/或分析的因素。这个实验的目的是专门按照碳流动通过两个系统:一个基于喂养微不足道的数目BSFL材料,和其他使用模拟有氧堆肥过程中微生物分解。主要目的是确定的相对生产率含碳温室气体排放在这两个有机废物处理方式。

结果明确支持这一观点,BSFL可以是一个经济和环境有用的方式暂时封存碳存在于有机废物材料而不是让传统有氧堆肥直接转化成含碳温室气体。相比BSFL-mediated回收、堆肥立即释放70%的碳排放到大气中,并没有抵消全球需求增加食用蛋白质和油。这未必是一个明显的结论。像BSFL,细菌和真菌增殖在有机饲料材料含碳化合物转变成蜂窝材料。然而,与BSFL微生物无法将这些材料存储到一个稳定和容易收获的动物脂肪等形式。结果是一个更大的损失在短期内的碳到大气中,和增加对农田和野生鱼类长期的需求。我们的实验也验证BSFL种植这些有氧条件下不产生大量的CH₄,通常在厌氧分解释放有机物质在垃圾填埋场。这些结果有重要影响的方法选择处理食物垃圾和粪便。堆肥是通常被认为是一个特别的“绿色”环保的方法处理有机废弃物,它提供了一个快速的回归向大气中有机碳和其他低温室气体排放(例如,CH₄)。然而,堆肥的替代品(如使用有机废物为底物生产BSFL),可能有更多的环境和经济效益。如果我们假设鸡饲料具有相同碳形象典型的食物浪费,我们可以估计微分影响温室气体的生产,会发生如果食物垃圾被生物沙子饮用水过滤系统而不是堆肥。根据我们的计算,每1000吨(吨)的食物垃圾被BSFL会有效地削减碳排放,如果耗氧堆肥,立即会产生62.6吨的二氧化碳。如果有人把每年产生3170万吨un-recycled食物浪费在美国和使用BSFL回收,昆虫将削减198万吨CO₂否则会释放到大气中,而生产约228万吨价值BSFL干物质(20.]。这干物质可以用来取代世界上大约一半的鱼粉年产量下降,其中大部分用于水产养殖饲料。在世界范围内,用昆虫回收的潜在影响堆肥、填埋,泻湖处理规模更大。估计在世界范围内产生的食物垃圾高达13亿吨。增长BSFL使用这些材料可能会削减超过8100万吨含碳温室气体,而生产约9360万吨的可用干BSFL生物量。6The greatly reduced volume of residue produced in the process would be higher in nitrogen and phosphorus than the original material, and could be used as an organic fertilizer. Additional experiments using food waste and animal manure to determine whether the differential impact on greenhouse gas production is the same as in food-grade material would be particularly useful.

结论

与碳封存于利用insect-mediated食物垃圾回收、微生物分解过程,如堆肥释放的含碳温室气体水平高出70%大气在近期。等昆虫的幼虫黑人士兵飞捕捉多余的碳并将其储存形式的蛋白质,食用油,和几丁质,所有的潜力经济值高于普通堆肥。公司的大小不同₂生产和最终产品的价值,表明insect-mediated回收应该选择负责任的方法回收食物垃圾和其他合适的有机材料。

引用

1. http://www.fao.org/3/a-i3991e.pdf
2. 哈维·b·黑人士兵飞尽可能回收的废物和牲畜饲料。今天昆虫学》2015。
3. 阮TT, et al。黑人士兵的能力飞(双翅目:水虻科)幼虫回收食物浪费。环境Entomol。2015; 44:406-10。
4. 珍妮B, et al。损失调整食物可用性文档。美国农业部经济研究服务。2017年。
5. 罗杰斯年代,et al。检测和减轻对环境的影响粪便病原体来自限制动物饲养:审查。环境保护署科学库存。2005
6. 詹妮Gustavsson, et al。全球粮食损失和食物浪费——程度、原因和预防。联合国粮食及农业组织罗马。2011。
7. Henning Steinfeld, et al。改变畜牧业生产的环境影响:概述和讨论比较评估与其他食品生产行业。动物生产及卫生司、畜牧、环境及发展计划(铅),意大利罗马,2006:37-54。
8. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Errata_11122015.pdf
9. Diener年代,et al。转换有机材料的黑人士兵,蝇幼虫:建立最佳喂养率。废物管理与研究。2009;27:603 - 610。
10. 牛顿GL, et al .干Hermetia illucens幼虫粉作为猪的补充。J动画Sci . 1977; 44:395 - 400。
11. Hale OM, et al .干Hermetia illucens幼虫(水虻科)作为家禽的饲料添加剂。J Ga Entomol Soc。1973; 8:16-20。
12. St-Hilaire年代,et al。飞prepupae作为虹鳟鱼的饲料,雄鱼mykiss。世界水产养殖Soc J。2007; 38:59 - 67。
13. 刘问,等。幼虫在牛粪减少大肠杆菌。环境Entomol。2008; 37:1525 - 1530。
14. 拉兰得CH,等。高waste-to-biomass转换和有效减少沙门氏菌种虫害对废物回收使用黑人士兵飞。农业可持续发展。2015;35:261 - 271。
15. 娜塔莎g .我们三分之一的温室气体排放来自农业。自然》2012。
16. 克里斯汀·M。莫菲特,et al。蓝色的增长:世界渔业和水产养殖的状态。联合国粮食及农业组织。2014;39:552 - 553。
17. 安德鲁•LR et al .厌氧产甲烷的排放,树木。大气科学。2010;37:1-5。
18. 大米,et AL .测量二氧化碳在俄勒冈州的一个大都市地区。大气环境。2011;45:1138 - 1144。
19. Makkar医生HPS, et al。先进的昆虫作为动物饲料的使用。动物饲料科学和抛光工艺。2014;197:1-33。
20. 美国环境保护署。推进可持续材料管理:2013简报。评估材料生成趋势,回收和处置在美国》2015。