Chinese Journal of Animal Nutrition >

2024 , Vol. 36 >Issue 5: 3329 - 3339

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2024.285

RESEARCH PAPER

Effects of Purple Potato Peel Powder on Growth Performance, Waste Reduction Rate, Body Nutrient Components and Intestinal Microorganisms of Black Soldier Fly Larvae

  • HAO Jianwei , 1 ,
  • SU Yanling 1 ,
  • ZHAO Jia 1 ,
  • LI Songling 2 ,
  • LIU Shuang , 3, *
Expand
  • 1 Department of Biological Science and Technology, Jinzhong University, Jinzhong 030619, China
  • 2 Qinghai Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Xining 810016, China
  • 3 Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
* associate professor, E-mail:

Received date: 2023-12-11

  Online published: 2024-05-15

Fold

Abstract

This experiment was to investigate the effects of purple potato peel powder on growth performance, waste reduction rate, body nutrient components and intestinal microorganisms of black soldier fly larvae. Three thousand 4-day-old black soldier fly larvae were selected and randomly divided into 5 groups with 3 replicates per group and 200 larvae per replicate. The control group was fed the growing pig manure, and the experimental groups were fed the growing pig manure+2% purple potato peel powder (2% supplemental group), growing pig manure+4% purple potato peel powder (4% supplemental group), growing pig manure+6% purple potato peel powder (6% supplemental group) and growing pig manure+8% purple potato peel powder (8% supplemental group). The experiment lasted for 16 days. 1) the average dry weight of larvae of 6% and 8% supplemental groups was significantly lower than that of control group and 2% and 4% supplemental groups (P<0.05). There was no significant difference in the waste reduction rate among all groups (P>0.05). 2) The crude protein content of 4%, 6% and 8% supplemental groups was significantly higher than that of control group (P<0.05), and the ether extract content of 2%, 4%, 6% and 8% supplemental groups was significantly lower than that of control group (P<0.05). 3) The Proteobacteria relative abundance of 4% supplemental group was significantly lower than that of control group (P<0.05), and the Actinobacteriota, Bacteroidota, Cyanobacteria, Verrucomicrobiota and Acidobacteriota relative abundances were significantly higher than those of control group (P<0.05). 4) The Providencia, Breznakia and Enterococcus relative abundances of 4% supplemental group were significantly lower than those of control group (P<0.05), and the Clostridium_sensu_stricto_1, Terrisporobacter, Corynebacterium, Romboutsia and Turicibacter relative abundances were significantly higher than those of control group (P<0.05). 5) The Clostridium_sensu_stricto_1 and Terrisporobacter relative abundances were significantly and positively correlated with average dry weight of larvae and crude protein content (P<0.05), respectively, while the Enterococcus relative abundance was significantly and negatively correlated with crude protein content (P<0.05). 6) The microbial network of 4% supplemental group had 3 138 linkages and 178 nodes, which was higher than that of the other groups, indicating that the gut was the most complex with 4% supplemental proportion of purple potato peel powder. In conclusion, the growing pig manure supplemented with 4% purple potato peel powder can increase the body crude protein content and decrease the ether extract content without affecting the average dry weight of larvae and waste reduction rate, promotes the intestinal health of larvae, which is conducive to increase the insect protein production efficiency.

Key words： purple potato peel powder; pig manure; black soldier fly larva; gut microorganisms

Cite this article

HAO Jianwei , SU Yanling , ZHAO Jia , LI Songling , LIU Shuang . Effects of Purple Potato Peel Powder on Growth Performance, Waste Reduction Rate, Body Nutrient Components and Intestinal Microorganisms of Black Soldier Fly Larvae[J]. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2024 , 36(5) : 3329 -3339 . DOI: 10.12418/CJAN2024.285

黑水虻(Hermetia illucens L.)作为一种资源性昆虫,其幼虫通过采食能有效分解多种有机废弃物,并转化为自身蛋白质和脂肪[1]。已有研究显示,黑水虻幼虫(black soldier fly larvae,BSFL)可应用于饲料添加,且应用形式多样,即可以用鲜虫或虫干,又可以提取蛋白质或虫油[2⇓⇓-5]。黑水虻幼虫蛋白质品质与饲料常用大豆或肉粉蛋白质品质相同,含动物饲料所必需的10种氨基酸[1]。黑水虻幼虫蛋白质、鱼粉、豆粕、乳清蛋白及大豆浓缩粉氨基酸组成对比研究显示,黑水虻幼虫蛋白质必需氨基酸含量高于上述饲料用蛋白质[1]。此外,黑水虻幼虫蛋白质还具备其他功能,研究报道将犬粮中的蛋白质或油脂按比例替换为黑水虻幼虫虫粉或虫油,结果表明黑水虻幼虫蛋白质可用于预防宠物关节炎[6]。相较于禽肉和鱼肉,黑水虻幼虫蛋白质表现出更强的抗氧化活性[7]。随着对黑水虻幼虫蛋白质研究的深入,其丰富的抗菌肽也日渐成为新的热点[8]。黑水虻幼虫虫体营养组分和生长性能因其饲喂物质差异而变化较大,研究显示转化植物或发酵废弃物虫体蛋白质含量通常为31.7%~63.0%[9],转化动物粪便虫体蛋白质含量通常为37.9%~44.0%[10]。不同废弃物组合研究有助于提升黑水虻幼虫的利用范围及效率[1]。
紫马铃薯(Solanium tuberosome)富含花青素,马铃薯花青素属天然色素,具有清除自由基、抗氧化等生理活性功能[11]。不同品种紫马铃薯花青素含量不同,有研究表明,“红玫瑰”品种花青素含量为0.218 mg/g,“黑金刚”品种花青素含量为0.481 mg/g[12]。同时马铃薯皮花青素含量通常较薯肉更高,殷丽琴等[13]研究显示,不同品种紫马铃薯皮花青素含量比相应品种薯肉高6.2~175.6倍。日常生产中,紫马铃薯皮作为加工废料需进行无害化处理,既浪费资源又污染环境。有研究以富含原花青素葡萄籽作为饲料组分饲喂海南黑山羊,结果表明原花青素可显著提升肌肉粗蛋白质(crude protein,CP)含量,有效提高生长性能[14]。但紫马铃薯皮饲料方面研究较少,利用昆虫进行转化处理的研究则更为鲜见。因此,本研究从废弃物资源开发利用角度出发,探索将不同比例紫马铃薯皮粉与育成猪粪复配组成黑水虻幼虫饲粮,分析其对黑水虻幼虫生长性能、废弃物消减率、虫体营养组分及肠道微生物的影响,以期为黑水虻幼虫饲喂调控和紫马铃薯皮高值利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黑水虻虫卵(东南亚株)购自广州无两生物科技有限公司。紫马铃薯品种为“黑金刚”,购自山西省晋中市榆次区,新鲜紫马铃薯经清洗、去皮、收集、50 ℃干燥、粉碎过80目筛获得紫马铃薯皮粉,经pH示差法[13]测得其花青素含量为(1.270±0.004) mg/g。试验用15周龄育成猪粪由山西省忻州市忻府区纯粮养猪专业合作社采集提供。试验主要设备包括ZDDN-2型凯氏定氮仪、TP-AD-04型消化炉、Q/WTCI03-2002型烘箱、JC-ST-06(F)型索氏提取器、电子天平、水浴锅、粉碎机等。

1.2 试验饲粮

通过在育成猪粪中添加不同比例紫马铃薯皮粉,制成5种紫马铃薯皮粉添加比例的试验饲粮,具体方法如下:根据紫马铃薯皮粉添加比例计算加入紫马铃薯皮粉质量,分别混合均匀后,保存至-4 ℃冰箱,当日配制当日使用。试验饲粮组成及营养水平见表1。
表1 试验饲粮组成及营养水平(饲喂基础)

Table 1 Composition and nutrient levels of experimental diets (as-fed basis) %

项目
Items		 紫马铃薯皮粉添加比例
Supplemental proportion of purple potato peel powder/%
0 2 4 6 8
原料Ingredients
含水量70%的育成猪粪
Growing pig manure with 70% water		 100 98 96 94 92
紫马铃薯皮粉Urple potato peel powder 2 4 6 8
合计Total 100 100 100 100 100
营养水平Nutrient levels
粗蛋白质Crude protein 7.05 6.91 6.77 6.63 6.49
粗脂肪Ether extract 1.084 1.062 1.037 1.019 0.997
花青素Anthocyanin 0.002 54 0.005 08 0.007 62 0.010 16

营养水平为实测值。

Nutrient levels were measured values.

1.3 试验方法

1.3.1 虫卵孵化

取500 g麦麸加入养殖盒,加水调整其湿度为75%,将虫卵均匀分布于培养基质表面,放入气候培养箱,设定温度为28 ℃,相对湿度为75%。每日观察,待虫卵孵化出幼虫,再在养殖盒中饲养4 d,备用。

1.3.2 试验设计

选取百虫鲜重相近的4日龄黑水虻幼虫3 000只,随机分为5组,每组3个重复,每个重复200只幼虫。各组分别饲喂紫马铃薯皮粉添加比例为0(对照)、2%(2%添加组)、4%(4%添加组)、6%(6%添加组)和8%(8%添加组)的试验饲粮。各组幼虫饲养至预蛹出现结束,试验期16 d。试验于2023年5月于晋中学院生物系实践基地进行。

1.4 检测指标

1.4.1 生长性能及废弃物消减率测定

每组黑水虻幼虫与虫粪分离后进行冷冻干燥,分别记录幼虫重量和数量,用幼虫干重除以幼虫数量,得出幼虫平均干重。将饲喂幼虫总饲料和去除幼虫的剩余残渣在烘箱中80 ℃条件下烘干,分别记录总饲料和剩余残渣干重,废弃物消减率计算公式如下:
废弃物消减率(%)=100×[1-剩余残渣
干重(g)/总饲料干重(g)]。

1.4.2 饲粮营养成分和虫体营养组分测定

黑水虻幼虫经冻干后,用研钵研磨后过60目筛,-20 ℃保存备测。饲粮和虫体粗蛋白质和粗脂肪(ether extract,EE)含量分别参考GB/T 6432—2018和GB/T 6433—2006进行测定。饲粮花青素含量采用pH示差法[13]进行测定。

1.4.3 肠道微生物分析

将黑水虻幼虫放在冰上3~5 min后取出。去除外部污染物,先用70%的酒精擦拭幼虫表面30 s,然后将其浸泡在0.25%的次氯酸钠中1 min,将幼虫取出后用无菌水冲洗3次。在无菌环境中,使用消毒过的细头镊子切开幼虫腹部,取出整个肠道,用0.9%的无菌氯化钠溶液冲洗2次后放入微离心管中。
每个重复选择10只黑水虻幼虫进行解剖提取肠道样品,提取DNA前在-80 ℃保存。使用MP biomedicals公司FastDNASpin试剂盒提取DNA,16S rRNA基因V3~V4区域扩增所用引物为:338F(5'-GTACTCCTACGGAGGCAGCA-3')和806R(5'-GTGGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')。PCR产物使用Beckman Coulter公司AMPure XP磁珠进行纯化,其后使用Invitrogen公司Qubit dsDNA HS Assay试剂盒进行定量。使用Illumina MiSeq PE300平台对肠道DNA样品中进行测序和分析。根据单核苷酸的质量,用Trimmomatic 0.33版软件对原始数据进行过滤,使用QIIME软件提取高质量序列,将序列分类为操作分类单元(OTU),并计算多样性指数。

1.5 数据处理及统计分析

使用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析和最小显著性差异(LSD)多重比较检验,并进行线性及二次型回归分析。使用R 3.6.1软件进行非度量多维尺度(non-metric multidimensional scaling,NMDS)分析,确定不同组间微生物群落差异性。使用R软件包中成对斯皮尔曼相关系数(r)进行相关性分析。基于OTU使用Gephi v0.9.2绘制网络图。其他图表使用GraphPad prism 9.3.1版软件进行绘制。试验结果以平均值±标准误表示,P<0.05表示差异显著。

2 结果

2.1 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫平均干重和废弃物消减率的影响

由表2可知,6%、8%添加组的幼虫平均干重显著低于对照组及2%、4%添加组(P<0.05),对照组及2%、4%添加组之间无显著差异(P>0.05)。各组之间废弃物消减率无显著差异(P>0.05)。回归分析发现,随着紫马铃薯皮粉添加比例上升,幼虫平均干重呈线性下降(P<0.05)。
表2 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫平均干重和废弃物消减率的影响

Table 2 Effects of purple potato peel powder on average dry weight and waste reduction rate of black soldier fly larvae

项目
Items		 紫马铃薯皮粉添加比例
Supplemental proportion of purple potato peel powder/%		 P值P-value
处理
Treatment		 线性
Linear		 二次
Quadratic
0(对照Control) 2 4 6 8
幼虫平均干重
Average dry weight
of larvae/mg		 52.34
±1.11a		 60.62
±0.54a		 60.96
±7.83a		 32.99
±0.58b		 31.09
±4.57b		 0.008 0.018 0.228
废弃物消减率
Waste reduction
rate/%		 43.08
±2.06		 41.86
±2.92		 38.79
±3.22		 34.65
±5.58		 39.29
±2.51		 0.538 0.180 0.294

同行数据肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05),相同或无字母表示差异不显著(P>0.05)。下表同。

In the same row, values with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05), while with the same or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05). The same as below.

2.2 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫粗蛋白质、粗脂肪含量的影响

由表3可知,4%、6%、8%添加组的粗蛋白质含量显著高于对照组(P<0.05),6%、8%添加组的粗蛋白质含量显著高于2%添加组(P<0.05),4%、6%、8%添加组之间粗蛋白质含量无显著差异(P>0.05)。2%、4%、6%、8%添加组的粗脂肪含量显著低于对照组(P<0.05),4%、6%、8%添加组的粗脂肪含量显著低于2%添加组(P<0.05),8%添加组的粗脂肪含量显著低于4%、6%添加组(P<0.05)。回归分析发现,随着紫马铃薯皮粉添加比例上升,粗蛋白质含量呈线性和二次曲线升高(P<0.05),粗脂肪含量呈线性和二次曲线降低(P<0.05)。
表3 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫粗蛋白质、粗脂肪含量的影响

Table 3 Effects of purple potato peel powder on contents of CP and EE of black soldier fly larvae %

项目
Items		 紫马铃薯皮粉添加比例
Supplemental proportion of purple potato peel powder/%		 P值P-value
处理
Treatment		 线性
Linear		 二次
Quadratic
0(对照Control) 2 4 6 8
粗蛋白质
CP		 33.10
±1.17d		 43.24
±1.97cd		 48.58
±3.33abc		 54.76
±0.36ab		 56.44
±1.46a		 0.002 <0.001 0.005
粗脂肪
EE		 22.00
±0.10a		 17.75
±0.05b		 14.60
±0.10c		 14.50
±0.10c		 13.35
±0.15d		 <0.001 <0.001 0.020

2.3 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫肠道微生物群落的影响

由图1可知,根据NMDS分析,通过展示各组之间共享的黑水虻幼虫肠道微生物OTU数量,表明各组的幼虫肠道样本聚类良好。
图1 基于Bray-Curtis距离的NMDS分析

Fig.1 NMDS analysis based on Bray-Curtis distance

由表4可知,厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和拟杆菌门在各组中均为优势菌门。4%和6%添加组的厚壁菌门相对丰度显著高于2%、8%添加组(P<0.05)。4%添加组的变形菌门相对丰度显著低于对照组及6%、8%添加组(P<0.05),与2%添加组差异不显著(P>0.05)。2%、4%添加组的放线菌门相对丰度显著对照组及6%、8%添加组(P<0.05),且2%添加组的放线菌门相对丰度显著高于4%添加组(P<0.05)。4%添加组的拟杆菌门和蓝菌门相对丰度显著高于对照组及2%、6%、8%添加组(P<0.05)。2%添加组的未分类细菌相对丰度显著高于对照组及4%、6%、8%添加组(P<0.05),4%添加组的疣微菌门、酸杆菌门相对丰度显著高于对照组及2%、6%、8%添加组(P<0.05),6%添加组的脱硫菌门、互养菌门相对丰度显著高于对照组及2%、4%、8%添加组(P<0.05)。
表4 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫肠道菌群门水平相对丰度的影响

Table 4 Effects of purple potato peel powder on relative abundances of intestinal flora at phylum level of black soldier fly larvae %

项目
Items		 紫马铃薯皮粉添加比例
Supplemental proportion of purple potato peel powder/%		 P值P-value
处理
Treatment		 线性
Linear		 二次
Quadratic
0(对照Control) 2 4 6 8
厚壁菌门
Firmicutes		 53.84
±3.11ab		 48.99
±3.50b		 66.54
±4.75a		 65.35
±7.55a		 50.84
±5.87b		 0.005 0.396 0.581
变形菌门
Proteobacteria		 43.89
±1.51a		 31.54
±2.88ab		 19.40
±2.24b		 32.76
±3.78a		 41.72
±3.21a		 <0.001 0.862 0.121
放线菌门
Actinobacteriota		 0.52
±0.02c		 14.32
±0.83a		 7.36
±0.85b		 1.19
±0.08c		 0.86
±0.03c		 <0.001 0.234 0.518
拟杆菌门
Bacteroidota		 0.12
±0.00c		 0.23
±0.03bc		 1.26
±0.10a		 0.40
±0.01b		 0.15
±0.00c		 <0.001 0.787 0.456
蓝菌门
Cyanobacteria		 0.09
±0.00c		 0.25
±0.02b		 0.39
±0.04a		 0.03
±0.00c		 0.05
±0.00c		 <0.001 0.268 0.447
疣微菌门
Verrucomicrobiota		 0.00
±0.00d		 0.01
±0.00c		 0.05
±0.00a		 0.04
±0.00b		 0.00
±0.00d		 <0.001 0.411 0.273
未分类细菌
Unclassified_Bacteria		 0.00
±0.00c		 0.05
±0.01a		 0.03
±0.00b		 0.00
±0.00c		 0.00
±0.00c		 <0.001 0.210 0.527
脱硫菌门
Desulfobacterota		 0.00
±0.00b		 0.00
±0.00b		 0.00
±0.00b		 0.07
±0.01a		 0.00
±0.00b		 <0.001 0.205 0.771
互养菌门
Synergistota		 0.00
±0.00b		 0.00
±0.00b		 0.00
±0.00b		 0.03
±0.00a		 0.00
±0.00b		 <0.001 0.197 0.786
酸杆菌门
Acidobacteriota		 0.00
±0.00c		 0.01
±0.00b		 0.01
±0.00a		 0.01
±0.00b		 0.01
±0.00b		 <0.001 0.141 0.206
由表5可知,2%和4%添加组的普罗威登斯菌相对丰度显著低于对照组及6%、8%添加组(P<0.05),且6%添加组的普罗威登斯菌相对丰度显著低于对照组及8%添加组(P<0.05)。4%添加组的狭窄梭菌属相对丰度显著高于对照组及2%、6%、8%添加组(P<0.05)。4%添加组的土孢杆菌属相对丰度显著高于对照组及2%、6%、8%添加组(P<0.05),且6%添加组的土孢杆菌属相对丰度显著高于对照组及2%、8%添加组(P<0.05),2%、8%添加组的土孢杆菌属相对丰度显著高于对照组(P<0.05)。2%和4%添加组的棒状杆菌属相对丰度显著高于对照组及6%、8%添加组(P<0.05),且2%添加组的棒状杆菌属相对丰度显著高于4%添加组(P<0.05)。对照组及2%、4%添加组的漫游菌属相对丰度显著低于6%、8%添加组(P<0.05),且6%添加组的漫游菌属相对丰度显著低于8%添加组(P<0.05)。2%、4%添加组的Breznakia相对丰度显著低于对照组及6%、8%添加组(P<0.05);2%、4%添加组的罗姆布茨菌属和苏黎世杆菌属相对丰度显著高于对照组及6%、8%添加组(P<0.05)。对照组的肠球菌属相对丰度显著高于2%、4%、6%、8%添加组(P<0.05)。2%添加组的嗜冷杆菌属相对丰度显著高于对照组及4%、6%、8%添加组(P<0.05),且6%添加组未检出嗜冷杆菌属。回归分析发现,随着紫马铃薯皮粉添加比例上升,漫游菌属相对丰度呈线性升高(P<0.05)。
表5 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫肠道菌群属水平相对丰度的影响

Table 5 Effects of purple potato peel powder on relative abundances of intestinal flora at genus level of black soldier fly larvae %

项目
Items		 紫马铃薯皮粉添加比例
Supplemental proportion of purple potato peel powder/%		 P值P-value
处理
Treatment		 线性
Linear		 二次
Quadratic
0(对照Control) 2 4 6 8
普罗威登斯菌属
Providencia		 48.82
±2.82a		 11.51
±0.66c		 19.66
±1.14c		 35.07
±2.26b		 51.28
±3.31a		 <0.001 0.359 0.174
狭窄梭菌属
Clostridium_sensu_
stricto_1		 26.31
±1.52b		 28.90
±1.67b		 39.18
±2.26a		 23.75
±1.37b		 25.64
±1.65b		 <0.001 0.563 0.621
土孢杆菌属
Terrisporobacter		 6.95
±0.24d		 12.92
±0.75c		 21.31
±1.23a		 17.06
±0.99b		 12.50
±0.72c		 <0.001 0.098 0.099
棒状杆菌属
Corynebacterium		 0.07
±0.00c		 15.60
±0.90a		 6.66
±0.43b		 0.72
±0.05c		 0.49
±0.03c		 <0.001 0.226 0.562
漫游菌属
Vagococcus		 1.05
±0.06c		 1.65
±0.10c		 1.56
±0.10c		 12.53
±0.43a		 4.18
±0.27b		 <0.001 0.029 0.647
Breznakia 5.50
±0.32b		 0.32
±0.02c		 0.26
±0.01c		 7.44
±0.43a		 5.53
±0.36b		 <0.001 0.212 0.572
罗姆布茨菌属
Romboutsia		 2.64
±0.15b		 3.72
±0.24a		 3.72
±0.21a		 2.53
±0.09b		 2.44
±0.14b		 <0.001 0.169 0.328
苏黎世杆菌属
Turicibacter		 1.46
±0.05c		 3.60
±0.21b		 5.08
±0.33a		 2.30
±0.08c		 2.10
±0.14c		 <0.001 0.994 0.313
肠球菌属
Enterococcus		 8.32
±0.29a		 2.15
±0.12b		 0.07
±0.00d		 1.05
±0.06c		 1.51
±0.09bc		 <0.001 0.003 0.052
嗜冷杆菌属
Psychrobacter		 1.33
±0.05b		 8.99
±0.31a		 0.82
±0.03b		 0.00
±0.00c		 0.01
±0.00c		 <0.001 0.070 0.691
进一步对肠道主要菌属相对丰度与黑水虻幼虫平均干重、废弃物消减率及粗蛋白质、粗脂肪含量进行相关性分析,由图2可知,狭窄梭菌属、棒状杆菌属、罗姆布茨菌属、苏黎世杆菌属和嗜冷杆菌属相对丰度与幼虫平均干重呈显著正相关(P<0.05),而普罗威登斯菌属、漫游菌属和Breznakia与幼虫平均干重呈显著负相关(P<0.05);土孢杆菌属和漫游菌属相对丰度与废弃物消减率呈显著负相关(P<0.05);土孢杆菌属和漫游菌属相对丰度与粗蛋白质含量呈显著正相关(P<0.05),肠球菌属相对丰度与粗蛋白质含量呈显著负相关(P<0.05);土孢杆菌属相对丰度与粗脂肪含量呈显著负相关(P<0.05),肠球菌属相对丰度与粗脂肪含量呈显著正相关(P<0.05)。
图2 黑水虻幼虫平均干重、废弃物消减率及粗蛋白质、粗脂肪含量与肠道主要菌属相对丰度相关性分析

*表示显著相关(P<0.05)。

Fig.2 Correlation analysis between average dry weight, waste reduction rate and CP, EE contents with relative abundances of intestinal main genera of black soldier fly larvae

* mean significant correlation (P<0.05).

2.4 黑水虻幼虫肠道微生物网络分析

由图3可知,各组微生物网络图存在差异,根据网络拓扑图特征分析结果,网络节点数从少到多依次为:对照组(104个)、8%添加组(109个)、6%添加组(132个)、2%添加组(152个)和4%添加组(178个)。网络拓扑图连接数从少到多依次为:对照组(1 054个)、8%添加组(1 300个)、6%添加组(1 670个)、2%添加组(2 392个)和4%添加组(3 138个)。
图3 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫肠道微生物网络的影响

Fig.3 Effects of purple potato peel powder on intestinal microbial network of black soldier fly larvae

3 讨论

3.1 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫生长性能和废弃物消减率的影响

Linh等[15]研究黑米糠提取花青素对尼罗罗非鱼生长性能的影响,结果表明黑米糠花青素可显著提升罗非鱼生长性能和饲料利用率。云艳虹等[14]报道,基础饲粮中添加20 mg/kg葡萄籽原花青素可显著提高黑山羊终末体重、平均日增重,可极显著提高黑山羊肌肉粗蛋白质含量,即葡萄籽原花青素能有效提升黑山羊生长性能、屠宰性能并改善肌肉品质。彩色马铃薯富含花青素,已有报道显示不同品种花青素含量在0.218~0.481 mg/g[12],且马铃薯皮花青素含量通常高于薯肉[13]。因此,紫马铃薯皮废弃物利用于动物饲粮可能影响动物生长及营养组成。本研究结果表明,随着饲粮紫马铃薯皮粉添加比例上升,黑水虻幼虫平均干重呈线性下降,紫马铃薯皮粉添加比例为2%和4%时幼虫平均干重与对照组无显著差异,但添加比例达6%和8%时幼虫平均干重显著低于其他各组;各组废弃物消减率无显著差异。丁子峰等[16]报道,马铃薯干皮渣主要含纤维素、半纤维素和果胶等。Hao等[17]对不同猪群粪便营养物质影响黑水虻幼虫生长进行分析,发现半纤维素含量与黑水虻幼虫增重呈负相关。这表明处理猪粪时纤维素类多糖含量升高会影响黑水虻幼虫的生长发育。因此,紫马铃薯皮粉添加比例过高可能影响黑水虻幼虫增重。

3.2 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫营养组成的影响

有研究显示,以水果混合蔬菜作为黑水虻幼虫饲粮可提高虫体粗蛋白质含量,相较水果饲养(粗蛋白质含量229.7 g/kg),混合组虫体粗蛋白质含量可达312.9 g/kg[9]。此外,利用米曲霉发酵的玉米秸秆饲喂黑水虻幼虫,其虫体粗蛋白质含量较未发酵组升高[18]。由此可见,幼虫营养构成与饲粮组分有一定关联。本试验中,各组黑水虻幼虫粗蛋白质含量差异明显,随着紫马铃薯皮粉添加比例升高,幼虫粗蛋白质含量呈显著线性和二次曲线上升。侯福银等[19]研究显示,葡萄籽原花青素可改善肉鸡生长性能,提高腿肌和胸肌粗蛋白质含量,推测原因为葡萄籽原花青素可优化肠道菌群,促进肉鸡肠道营养吸收。也有报道显示紫甘薯花青素提取物显著提高肉鸡的粗蛋白质摄入量、粗蛋白质消化率和肌肉粗蛋白质含量[20]。这与本试验各组幼虫粗蛋白质含量测定结果相似。此外,随着紫马铃薯皮粉添加比例升高,幼虫粗脂肪含量呈显著线性和二次曲线下降,但紫马铃薯皮粉添加比例达4%及以上时粗脂肪含量差异不显著。有研究表明,蓝莓提取花青素可以通过法尼酯X受体(FXR)和G蛋白偶联受体5(TGR5)途径调节肠道菌群和胆汁酸来改善肥胖症[21]。Tu等[22]从红树莓中提取花青素进行动物试验,表明花青素通过过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)通路可降低血脂,同时发现红树莓花青素具有一定益生元作用,可影响肠道菌群。综上,本试验中各组幼虫粗蛋白质和粗脂肪含量的差异,推测其原因一方面为花青素在饲料利用率、脂质代谢通路调节发挥作用,另一方面为花青素可能通过改变肠道菌群从而影响幼虫营养物质的组成。

3.3 紫马铃薯皮粉对黑水虻幼虫肠道微生物的影响

研究表明,小鼠食用黑枸杞花青素后,其肠道微生物群组成受摄入花青素调节,同时肠道和粪便短链脂肪酸含量增加,有益小鼠机体健康[23]。Tian等[24]报道,花青素摄入后经历一系列复杂代谢过程,并与内源性酶和微生物酶相互作用,产生大量花青素代谢物和分解产物,在此过程中花青素可刺激有益微生物生长,体外试验表明紫薯花青素可诱导双歧杆菌、狭窄梭菌等有益菌的繁殖,同时可抑制金黄色葡萄球菌的繁殖。本试验中,NMDS分析结果显示,各组肠道微生物群落组成具一定差异,样品聚类清晰。各组厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门相对丰度之和均大于90%,与已有研究结果[25]一致。上述菌门中,厚壁菌门可分泌各种蛋白酶和果胶酶,因此在消化动物粪便方面发挥关键作用[26],4%添加组的厚壁菌门相对丰度高于其他各组,推测较高的厚壁菌门相对丰度更利于黑水虻幼虫对猪粪的转化利用。其他肠道主要菌门相对丰度均较低,值得注意的是4%添加组的蓝菌门相对丰度高于其他各组,蓝菌门具有广泛的代谢物生物合成能力,有研究对不同种蓝菌萃取物进行分析,结果表明萃取物具有显著的生物潜能,包括抗氧化、脱氧核糖保护和二价铁离子螯合活性[27]。本研究中,蓝菌门是2%和4%添加组肠道微生物网络重要组成,因此,各组蓝菌门相对丰度差异可能影响肠道微生物构成,进而改变黑水虻幼虫代谢。
从属水平上看,普罗威登斯菌属、狭窄梭菌属和土孢杆菌属在各组中均为优势菌属。与对照组相比,添加紫马铃薯皮粉的试验组土孢杆菌属相对丰度显著上升。由相关性分析可知,土孢杆菌属相对丰度与粗蛋白质含量呈显著正相关,与废弃物消减率和粗脂肪含量呈显著负相关。研究显示,土孢杆菌属相对丰度与黑水虻幼虫肠道链球菌等病原菌相对丰度呈负相关[26]。此外,生猪肠道土孢杆菌属相对丰度与短链脂肪酸含量相关[28]。因此,本试验数据及相关性分析表明,紫马铃薯皮粉的添加提高了土孢杆菌属相对丰度,推测高相对丰度的土孢杆菌属一方面可降低肠道病原菌浓度,另一方面其代谢物可能在幼虫代谢中起调节作用。4%添加组的狭窄梭菌属、罗姆布茨菌属、苏黎世杆菌属相对丰度显著高于其他各组,根据已有研究,黑水虻幼虫饲喂猪粪后其肠道狭窄梭菌属和罗姆布茨菌属作为标志性菌属通常相对丰度较高[25],但菌属相对丰度差异对黑水虻幼虫影响的研究需进一步开展。2%和4%添加组的棒状杆菌属相对丰度较其他各组高9.25~222.86倍,该菌属有较强新陈代谢能力[29],因此,棒状杆菌属相对丰度差异可能影响黑水虻幼虫生长及营养。
微生物网络可用于分析微生物之间复杂的相互作用,证明微生物群落聚集的数学有效性。根据已有研究,链接数和平均度越高,说明网络越复杂,而复杂度越高的网络通常代表肠道越稳定健康[30-31]。Hao等[25]研究表明,黑水虻幼虫肠道微生物复杂程度与肠道健康相关,其结果显示微生物网络越复杂则黑水虻幼虫增重和废弃物消减率越高。本试验中,各组网络分析显示,4%添加组的幼虫肠道微生物网络复杂程度最高,肠道稳定性和健康度可能最高,同时黑水虻幼虫生长试验数据也表明该组幼虫平均干重虽与对照组无显著差异,但在所有试验组中为最高;此外,4%添加组的幼虫粗蛋白质含量虽低于6%、8%添加组,但高于2%添加组和对照组。4%添加组的幼虫粗脂肪含量低于2%添加组和对照组,而与6%、8%添加组无显著差异。因此,以添加4%紫马铃薯皮粉辅助黑水虻幼虫消减育成猪粪,可在确保虫干重的基础上提高虫体粗蛋白质含量。

4 结论

育成猪粪中添加4%紫马铃薯皮粉饲喂黑水虻幼虫可在维持虫干重的基础上提高虫体粗蛋白质含量,降低粗脂肪含量,有益于肠道健康,可为黑水虻幼虫消减猪粪、生产蛋白质提供更参考。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
郝建伟, 丁宇, 郭湘嵘, 等. 黑水虻资源化利用农业有机废弃物研究进展[J]. 山西农业科学, 2022, 50(12):1710-1717.

HAO J W, DING Y, GUO X R, et al. Research progress on resource utilization of agricultural organic waste by black soldier fly[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2022, 50(12):1710-1717. (in Chinese)

[2]
SPRANGHERS T, OTTOBONI M, KLOOTWIJK C, et al. Nutritional composition of black soldier fly (Hermetia illucens) prepupae reared on different organic waste substrates[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2017, 97(8):2594-2600.

DOI PMID

[3]
CULLERE M, TASONIERO G, GIACCONE V, et al. Black soldier fly as dietary protein source for broiler quails:apparent digestibility,excreta microbial load,feed choice,performance,carcass and meat traits[J]. Animal, 2016, 10(12):1923-1930.

[4]
NEUMANN C, VELTEN S, LIEBERT F. N balance studies emphasize the superior protein quality of pig diets at high inclusion level of algae meal (Spirulina platensis) or insect meal (Hermetia illucens) when adequate amino acid supplementation is ensured[J]. Animals, 2018, 8(10):172.

[5]
ALTMANN B A, NEUMANN C, ROTHSTEIN S, et al. Do dietary soy alternatives lead to pork quality improvements or drawbacks?A look into micro-alga and insect protein in swine diets[J]. Meat Science, 2019, 153:26-34.

[6]
MOUITHYS-MICKALAD A, TOME N M, BOOGAARD T, et al. Unlocking the real potential of black soldier fly (Hermetia illucens) larvae protein derivatives in pet diets[J]. Molecules, 2021, 26(14):4216.

[7]
MOUITHYS-MICKALAD A, SCHMITT E, DALIM M, et al. Black soldier fly (Hermetia illucens) larvae protein derivatives:potential to promote animal health[J]. Animals, 2020, 10(6):941.

[8]
SCIEUZO C, GIGLIO F, RINALDI R, et al. In vitro evaluation of the antibacterial activity of the peptide fractions extracted from the hemolymph of Hermetia illucens (Diptera:Stratiomyidae)[J]. Insects, 2023, 14(5):464.

[9]
MENEGUZ M, SCHIAVONE A, GAI F, et al. Effect of rearing substrate on growth performance,waste reduction efficiency and chemical composition of black soldier fly (Hermetia illucens) larvae[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2018, 98(15):5776-5784.

[10]
WANG Y S, SHELOMI M. Review of black soldier fly (Hermetia illucens) as animal feed and human food[J]. Foods, 2017, 6(10):91.

[11]
张馨月, 赵思毅, 吴明阳, 等. 紫马铃薯花色苷提取工艺优化及稳定性、抗氧化活性分析[J/OL]. 食品工业科技:1-14[2023-11-11].https://doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2023050067. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2023050067.

ZHANG X Y, ZHAO S Y, WU M Y, et al. Optimization of extraction process of anthocyanins from purple-fleshed potatoes and its stability and antioxidant activity[J/OL]. Science and Technology of Food Industry:1-14[2023-11-11].https://doi.org/10.13386/j.issn1002-0306.2023050067. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2023050067. (in Chinese)

[12]
杨慧仙, 杨秀丽, 张谨华, 等. 适宜晋中地区种植的彩色马铃薯品种营养品质分析与评价[J]. 安徽农业科学, 2022, 50(11):42-44,49.

YANG H X, YANG X L, ZHANG J H, et al. Nutritional quality analysis and evaluation of color potato varieties suitable for planting in Jinzhong area[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2022, 50(11):42-44,49. (in Chinese)

[13]
殷丽琴, 彭云强, 钟成, 等. 高效液相色谱法测定8个彩色马铃薯品种中花青素种类和含量[J]. 食品科学, 2015, 36(18):143-147.

DOI

YIN L Q, PENG Y Q, ZHONG C, et al. Determination of anthocyanidin composition of different pigmented potato (Solanum tuberosum L.) cultivars by HPLC[J]. Food Science, 2015, 36(18):143-147. (in Chinese)

[14]
云艳虹, 石惠宇, 张元锌, 等. 葡萄籽原花青素对海南黑山羊生长性能、屠宰性能、肉品质及抗氧化性能的影响[J]. 饲料研究, 2023, 46(23):1-6.

YUN Y H, SHI H Y, ZHANG Y X, et al. Effect of grape seed proanthocyanidins on growth performance,slaughter performance,meat quality and antioxidant performance of Hainan black goats[J]. Feed Research, 2023, 46(23):1-6. (in Chinese)

[15]
LINH N V, NGUYEN D V, KHONGDEE N, et al. Influence of black rice (Oryza sativa L.) bran derived anthocyanin-extract on growth rate,immunological response,and immune-antioxidant gene expression in Nile tilapia (Oreochromis niloticus) cultivated in a biofloc system[J]. Fish & Shellfish Immunology, 2022, 128:604-611.

[16]
丁子峰, 张岚, 王红梅, 等. 马铃薯皮渣综合利用的研究进展[J]. 食品研究与开发, 2022, 43(9):219-224.

DING Z F, ZHANG L, WANG H M, et al. Comprehensive utilization of potato peel residue:a review[J]. Food Research and Development, 2022, 43(9):219-224. (in Chinese)

[17]
HAO J W, LIU S, LUO A G, et al. Assessing nursery-finishing pig manures on growth of black soldier fly larvae[J]. Animals, 2023, 13(3):452.

[18]
GAO Z H, WANG W Q, LU X H, et al. Bioconversion performance and life table of black soldier fly (Hermetia illucens) on fermented maize straw[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 230:974-980.

[19]
侯福银, 杨智青, 陈长宽, 等. 原花青素对肉鸡肠道及屠宰性能、脂质代谢和肉品质的影响[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2019, 45(1):119-125.

HOU F Y, YANG Z Q, CHEN C K, et al. Effect of grape seed proanthocyanidin extract on intestine,slaughter performance,lipid metabolism and meat quality of broilers[J]. Journal of Zhejiang University (Agriculture & Life Sciences), 2019, 45(1):119-125. (in Chinese)

[20]
CHANGXING L, CHENLING M, ALAGAWANY M, et al. Health benefits and potential applications of anthocyanins in poultry feed industry[J]. World’s Poultry Science Journal, 2018, 74(2):251-264.

[21]
GUO J L, HAN X, TAN H Y, et al. Blueberry extract improves obesity through regulation of the gut microbiota and bile acids via pathways involving FXR and TGR5[J]. iScience, 2019, 19:676-690.

DOI PMID

[22]
TU L J, SUN H J, TANG M M, et al. Red raspberry extract (Rubus idaeus L shrub) intake ameliorates hyperlipidemia in HFD-induced mice through PPAR signaling pathway[J]. Food and Chemical Toxicology, 2019, 133:110796.

[23]
PENG Y J, YAN Y M, WAN P, et al. Effects of long-term intake of anthocyanins from Lycium ruthenicum Murray on the organism health and gut microbiota in vivo[J]. Food Research International, 2020, 130:108952.

[24]
TIAN L M, TAN Y S, CHEN G W, et al. Metabolism of anthocyanins and consequent effects on the gut microbiota[J]. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2019, 59(6):982-991.

DOI PMID

[25]
HAO J W, LIU S, GUO Z X, et al. Effects of disinfectants on larval growth and gut microbial communities of black soldier fly larvae[J]. Insects, 2023, 14(3):250.

[26]
ZHANG Y P, XIAO X P, ELHAG O, et al. Hermetia illucens L. larvae-associated intestinal microbes reduce the transmission risk of zoonotic pathogens in pig manure[J]. Microbial Biotechnology, 2022, 15(10):2631-2644.

[27]
SINGH D P, PRABHA R, VERMA S, et al. Antioxidant properties and polyphenolic content in terrestrial cyanobacteria[J]. 3 Biotech, 2017, 7(2):134.

DOI PMID

[28]
LEE S H, YOU H S, KANG H G, et al. Association between altered blood parameters and gut microbiota after synbiotic intake in healthy,elderly Korean women[J]. Nutrients, 2020, 12(10):3112.

[29]
JIANG C L, JIN W Z, TAO X H, et al. Black soldier fly larvae (Hermetia illucens) strengthen the metabolic function of food waste biodegradation by gut microbiome[J]. Microbial Biotechnology, 2019, 12(3):528-543.

[30]
LIU S W, YU H, YU Y H, et al. Ecological stability of microbial communities in lake Donghu regulated by keystone taxa[J]. Ecological Indicators, 2022, 136:108695.

[31]
HUANG T, LI Z, TYE K D, et al. Probiotic supplementation during pregnancy alters gut microbial networks of pregnant women and infants[J]. Frontiers in Microbiology, 2022, 13:1042846.

Options
Outlines

/

〈 〉

京ICP备17050989号-2
Copyright © Chinese Journal of Animal Nutrition, All Rights Reserved.
Tel: 010－62817823　E-mail: cjan@vip.163.com
Powered by Beijing Magtech Co., Ltd.