Abstract

Introducere

Domeniul entomologiei aplicate a crescut în importanță în ultimii ani. În timp ce în mod tradițional s-a concentrat pe utilizarea prădătorilor de insecte pentru combaterea biologică a speciilor de dăunători în sistemele agroecologice (Cock și colab2016, Van Lenteren și colab2018), acum se pune mai mult accent pe utilizarea insectelor pentru dezvoltarea tehnologiilor de inspirație biologică (Gorb 2011, Lenau și colab2018), ca surse alternative de hrană pentru animale și oameni de producție (DeFoliart 1989, Van Huis 2013) și pentru reutilizarea deșeurilor organice (Diener și colab2011a, b). În ceea ce privește acestea din urmă, larvele de muscă de soldat negru (BSF), Hermetia illucens (L., 1758) (Diptera: Stratiomyidae), sunt deosebit de interesante deoarece oferă o alternativă potențială rentabilă pentru reciclarea deșeurilor biologice. Muștele pot fi găsite tropicale și subtropicale, precum și în unele zone de temperatură. Muștele adulte nu au piese bucale, stingeri sau organe digestive și sunt astfel incapabile să atace și să se hrănească (Park 2015, Al-Qazzaz și colab2016). La rândul său, acest lucru înseamnă că, chiar dacă muștele negre soldat intră în contact cu mâncarea, ele, spre deosebire de muștele casnice, nu transmit agenți patogeni din deșeuri către oameni (Bănci și colab2014, Kenis și colab2014, Dortmans 2015).

Multe studii au arătat potențialul BSF de a transforma deșeurile solide municipale, gunoiul de porc, deșeurile de bucătărie, fecalele umane, fructele și legumele, paiul de orez și alte materiale organice într-un produs stabil și valoros (Diener și colab2009b, 2011a, b, Lalander și colab2013, Nguyen și colab2015, Manurung și colab2016, Dortmans și colab2017). Tratamentul cu larve de muște soldat negru poate reduce, de asemenea, timpul de înjumătățire al substanțelor farmaceutice (Lalander și colab2016) și substanțe nutritive precum azotul și fosforul din deșeuri (Myers și colab2008). Etapa prepupală a muștei, adică ultima etapă larvară este o sursă nutritivă de proteine ​​care poate fi exploatată ca hrană pentru păsări de curte, porci, pești și amfibieni și, astfel, generează venituri suplimentare (ST-Hilaire și colab2007a, b, Diener și colab2011a, b, Nguyen și colab2015, Park 2015, Spranghers și colab2016). Au existat studii privind securitatea alimentară care indică utilizarea insectelor, cum ar fi larvele BSF, ca o sursă importantă de proteine ​​pentru unele țări din Africa și Asia (DeFoliart 1989). Insectele, cum ar fi BSF, îndeplinesc cerințele nutriționale atât pentru animale, cât și pentru oameni, deoarece sunt bogate în vitamine, micronutrienți și acizi grași saturați și polinesaturați (Rumpold & Schlüter 2013, Van Huis 2013).

Brazilia este un bun exemplu de țară în curs de dezvoltare care poate beneficia de utilizarea tehnologiei BSF, deoarece cea mai mare parte a teritoriului său este situată la tropice, iar muștele soldat negru apar în mod natural în sălbăticie. În plus, Brazilia nu are un sistem tradițional eficient de eliminare a deșeurilor. Aceste condiții sunt valabile mai ales pentru regiunea de nord a țării (regiunea Amazonului). Statul Para, cel mai populat stat din regiunea Amazonului, cu aproximativ 8,3 milioane de locuitori în 144 de municipalități, se confruntă cu mai multe provocări în ceea ce privește gestionarea eliminării deșeurilor (IBGE- Institutul brazilian de geografie și statistici 2015). Un total de 7 tone de deșeuri sunt produse zilnic în întregul stat, dar sunt colectate doar 5,4 tone/zi. Mai mult, 35% sunt aruncate în depozite deschise, 37% se îndreaptă către depozite controlate de deșeuri, în timp ce doar 28% beneficiază de gestionarea corespunzătoare a depozitelor în depozitul sanitar (Abrelpe 2015).

În ciuda faptului că soldatul negru zboară poate fi găsit în nordul Braziliei (Pujol-Luz și colab2008), după cunoștințele noastre, au existat doar câteva studii limitate folosind larvele BSF pentru tratarea deșeurilor organice din fermele izolate din Brazilia (Silva și colab2018, Teixeira Filho 2018). Este nevoie de mai multe studii cu privire la potențialul de tratare a deșeurilor organice din comunitățile urbane și rurale mari din Brazilia. Astfel, prezenta revizuire își propune să investigheze fezabilitatea, beneficiile și limitările pentru implementarea unui proiect BSF în regiunile tropicale folosind Belem ca studiu de caz.

Larvele zbura soldatului negru ca sursă de hrană pentru animale

Țările tropicale, inclusiv Brazilia, au o bogată diversitate de specii de pești, care pot fi cultivate în tancuri (Junk și colab2007). Peste pirarucu, Arapaima gigas (Cuvier 1817), de exemplu, ar putea fi hrănit printr-o dietă mixtă de făină de pește și larve BSF (Imbiriba 2001, Oliveira și colab2012, Queiroz-de-Oliveira și colab2013). Utilizarea prepupa BSF pentru a suplimenta făina de pește nu are un impact negativ asupra dezvoltării peștilor (Bondari & Sheppard 1981, Kroeckel și colab2012). De exemplu, înlocuirea făinii de pește cu o dietă care conținea până la 15% larve BSF (conținut de proteine) nu a avut efecte negative asupra raportului de conversie a hranei peștilor. Mai mult, aceeași dietă a permis o reducere a făinii de pește de la 36 la 27% și a conținutului de ulei de pește de la 13 la 8% (ST-Hilaire și colab2007b). Rezultatele lor sunt semnificative, deoarece ar putea reprezenta o alternativă pentru a reduce cheltuielile asociate cu hrana pentru pești și a face piscicultura mai atractivă pentru comunitățile rurale.

Larvele cu muște soldat negru pot fi, de asemenea, utilizate pentru a înlocui sau suplimenta dieta păsărilor și a animalelor, deși mai trebuie făcute mai multe cercetări pentru a estima cantitățile necesare pentru a susține creșterea (Teguia & Beynen 2005, Veldkamp & Bosch 2015). Două studii recente au descoperit că utilizarea larvelor BSF ca sursă de hrană pentru puiul de ouă poate crește grosimea cojii, gălbenușul și albumina de ou (Barbosa-Filho și colab2018, Kawasaki și colab2019). Secci și colab (2018) au analizat impactul înlocuirii dietei pe bază de soia găinii ouătoare cu dieta larvelor BSF. Autorii susțin că BSF poate fi utilizat ca un substitut total al rației tradiționale de soia. Cu toate acestea, acest lucru este adevărat numai atunci când calitatea ouălor este ținta. Alte studii ar trebui să abordeze efectele asupra întregului animal. În plus, gălbenușul de ou de la găina hrănită cu larve BSF a prezentat colesterol mai scăzut și acizi grași similari. Rezultate similare s-au obținut cu prepelițe (Dalle Zotte și colab2019).

Larvele de muște soldat negru au fost utilizate ca suplimente alimentare pentru porcine (Newton și colab1977), unde poate fi folosit atât pentru hrănirea animalelor, cât și pentru digerarea gunoiului de grajd produs (Newton și colab2005a, b, Veldkamp și colab2012). Când sunt utilizate pentru tratarea gunoiului de grajd, larvele BSF se pot reduce Escherichia coli (E. 1885) conținut din compost (Liu și colab2008), deși tratamentul termic trebuie administrat prepupelor înainte ca acestea să poată fi hrănite animalelor. Cu toate acestea, este important de menționat că există încă îngrijorări cu privire la compostarea gunoiului de grajd și utilizarea larvelor reziduale pentru hrănirea animalelor. Un alt beneficiu asociat unei diete cu larve BSF este utilizarea redusă a terenului, consumul de apă și emisiile reduse de gaze cu efect de seră în comparație cu produsele derivate din animale, cum ar fi boabele de soia și porumbul (Rumpold & Schlüter 2013). Green și Popa (2012) complimentează afirmând că concentrația de amoniac (NH4) poate fi de 5-6 ori mai mare decât cea din substratul inițial, ceea ce ar putea fi avantajos pentru instalațiile de procesare a deșeurilor, deoarece substanțele precum NH4 + și NH3 - pot fi ușor absorbite de plante și sol sau recuperate.

Proiectarea sistemului Black Soldier Fly și întreținerea insectelor

Un sistem BSF nu este complex de construit și poate fi adaptat în funcție de cerințele locale. Există două părți principale ale sistemului, larvero, care este locul în care larvele cresc și casa cu muște unde muștele adulte vor trăi și se vor reproduce (Fig. 1). Pasul inițial este achiziționarea ouălor BSF, care pot fi obținute pe piață sau capturate în sălbăticia majorității regiunilor tropicale. În ceea ce privește Brazilia, există două studii care au captat ouăle BSF în Belem (Silva și colab2018) și Amazonas (Teixeira Filho 2018), ambele în regiunea Amazonului. Cu toate acestea, BSF poate fi găsit și în alte state din afara regiunii Amazon, cum ar fi Minas Gerais și în regiunea de nord-est.

mușcă

Diagrama de flux care prezintă procesul.

Pentru capturarea ouălor în sălbăticie, se poate instala o „capcană pentru ouă”. O capcană pentru ouă constă dintr-o cutie de creștere (cutie de plastic), sursă de hrană (legume, fructe, gunoi de grajd sau alte materii organice), o sită de nailon și bucăți de carton ondulat. Practic, ar trebui să plasați cutia de creștere umplută cu o sursă de hrană în aer liber pentru a atrage femele BSF. Plasa de nailon este utilizată pentru a permite răspândirea mirosului și pentru a bloca intrarea potențială a insectelor parazite și prădătoare. Bucățile de carton sunt așezate deasupra plasei de nailon, aproape de sursa de hrană (Sripontan și colab2017). Muștele femele își vor depune ouăle pe un carton ondulat de unde pot fi extrase și plasate în sistemul larvero (Boaru și colab2019). Sripontan și colab (2017) au analizat diferite diete alimentare pentru a atrage femele BSF și au constatat că ovipoziția a fost mai mare în apropierea capcanelor pentru deșeuri de fructe în comparație cu gunoiul de grajd de la animale. Cu toate acestea, multe tipuri de diete organice în descompunere pot fi folosite pentru a atrage femele BSF.

Facilitățile medii sau mari sau urbane ar putea avea propria unitate de creșă pentru a furniza ouă pentru unitatea de tratament. Muștele adulte sunt de obicei ținute într-o cușcă ecranată separat de larvero. Cicková și colegii de muncă (Čičková și colab2012), de exemplu, au folosit două cuști metalice experimentale, una cu dimensiuni de 30 × 30 × 30 cm cu o capacitate de 1000–1500 pupe și alta cu dimensiuni de 60 × 80 × 145 cm capabile să conțină 25.000 de pupe. Schema lor de supoziție a folosit o dietă alimentară aleasă pentru a atrage femelele să-și depună ouăle pe o structură de carton. Cu toate acestea, pentru a evita problemele asociate consangvinizării, facilitățile independente ar trebui să fie completate ocazional cu ouă sau larve capturate în sălbăticie.

Recomandarea pentru larvero este de a menține o alimentație regulată, un sistem de drenaj pentru levigați și o rampă unde larvele pot să se târască în stadiul de prepupa, ceea ce asigură, de asemenea, separarea ușoară a pupelor de larve (Diener și colab2011a). Masa de larve BSF necesară pentru fiecare sistem poate fi estimată prin ecuație. 1 (Dortmans și colab2017):

masa de larve BSF necesară pentru fiecare sistem de compostare;

numărul de larve necesare pentru fiecare sistem; acest număr este de aproximativ 600-800 de larve/kg de deșeuri umede;

masa totală a larvelor din containerul de creștere, care este pur și simplu greutatea larvelor din cutia de compostare; și

numărul total de larve din sistem. Acest lucru poate fi determinat înmulțind TMcont cu numărul de larve dintr-o probă dată, apoi împărțind-o la masa probei.

Pentru sistemele de dimensiuni menajere, creșterea larvelor se poate face în cupe de plastic, care trebuie adaptate pentru a include o rampă și un canal de scurgere. Chiar și o schemă tradițională de compostare cu trei găleți poate fi utilizată pentru cultivarea larvelor BSF în faza de hrănire, așa cum este utilizat într-un sistem rural raportat de Silva și colab (2018). Pentru instalațiile de compostare de dimensiuni medii până la mari, pot fi folosite și bazine de beton cu rampă, dar acestea sunt de obicei setate pentru gestionarea dejecțiilor (Sheppard și colab1994, Newton și colab2005a). Mărimea variază în funcție de cantitatea de deșeuri adăugată în sistem și de numărul de larve din sistem. Perioada de păstrare depinde de factori precum temperaturile ambiante (Sheppard și colab2002), vârsta la inoculare și tipul de material (Dortmans 2015). Condițiile anaerobe pot fi evitate dacă înălțimea materialului din interiorul recipientului nu depășește 7,5-10 cm (Čičková și colab2015).

Există instalații la scară largă care utilizează larve BSF pentru a produce proteine ​​care tratează până la 200 de tone de deșeuri/zi (Diener și colab2015). Cu toate acestea, informațiile privind proiectarea și procedurile operaționale ale instalațiilor mari de tratament BSF existente cu succes sunt sensibile din punct de vedere comercial și nu sunt partajate în mod deschis (Lohri și colab2017). Un studiu realizat în Costa Rica a estimat o zonă de tratare a unei instalații pentru compostarea a 3 tone/zi de deșeuri organice municipale la aproximativ 930 m 2 plus suprafața instalației oferind aproximativ 3,2 kg de compost pe metru pătrat pe zi (Diener și colab2009a), comparativ cu vermicompostarea, cu un compost estimat de 2,4 kg pe metru pătrat pe zi, pe baza unei plante la scară mult mai mică (Marsh 2009). Recent, Lalander și colab (2018) au comparat trei strategii pentru compostarea deșeurilor alimentare și a fecalelor prin vermicompostare, larve BSF și larve BSF integrate cu o digestie anaerobă. Această din urmă configurație a prezentat cea mai mare valoare a produsului final datorită combinației de biogaz, hrană pentru animale și îngrășăminte, în timp ce vermicompostarea a avut cea mai mică valoare a produsului final. Cu toate acestea, sunt necesare mai multe studii care compară direct cele două metode, atunci când vine vorba de cerințele de suprafață, conversia deșeurilor și costuri.

Figura 2 ilustrează proiectarea la scară industrială pentru larvero și cușca de împerechere, în timp ce Figura 3 prezintă un larvero de casă. Figura 2 provine de la Dortmans și colab (2017), care prezintă sisteme și proceduri de proiectare pentru instalații mai mari bazate pe o instalație operațională din Indonezia. Pe acest sistem, larvele sunt colectate manual și transportate în alte etape. Alte sisteme ar putea avea un tip de rampă, astfel încât larvele pot să se târască singure din larvero. Designul din Fig 3 este similar cu cel propus de Diener și colab (2011a). Pe acest design, larvele vor migra către găleată pentru pupație (proces natural); prepupele sunt apoi colectate din găleată și așezate manual în casa de zbor (unele pot fi deviate către alte destinații, cum ar fi hrana animalelor). Mâncarea este adăugată manual la larvero prin deschiderea capacului și plasarea unui strat de aproximativ 5 cm de deșeuri răspândite uniform pe zonă. Principala slăbiciune a acestui tip de larvero este sistemul de drenaj care necesită o întreținere constantă pentru a nu se înfunda. Modele alternative sunt ușor de găsit online, astfel construirea sistemului nu ar trebui să fie o problemă pentru comunitățile rurale mici și mijlocii.

Schemă medie de dimensiuni industriale pentru larvero (dreapta) și cușcă de împerechere (stânga). Sursa: (Dortmans și colab2017).