Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добри резултати препоръчваме да използвате по-нов браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ще показваме сайта без стилове и JavaScript.
Черната войнишка муха (Hermetia illucens, L. 1758) е всеядно детритивно насекомо с висок потенциал за използване на богати на въглехидрати органични странични продукти. Сред въглехидратите, черните войнишки мухи разчитат на разтворими захари за растеж и синтез на липиди. Целта на това проучване беше да се оценят ефектите на обикновените разтворими захари върху развитието, оцеляването и профила на мастни киселини на мухи черни войници. Допълвайте храната за пилета с монозахариди и дизахариди отделно. Като контрола се използва целулоза. Ларвите, хранени с глюкоза, фруктоза, захароза и малтоза, растат по-бързо от контролните ларви. За разлика от това, лактозата има антихранителен ефект върху ларвите, забавяйки растежа и намалявайки крайното индивидуално телесно тегло. Въпреки това, всички разтворими захари правят ларвите по-дебели от тези, хранени с контролната диета. Трябва да се отбележи, че тестваните захари оформят профила на мастните киселини. Малтозата и захарозата повишават съдържанието на наситени мастни киселини в сравнение с целулозата. За разлика от това, лактозата повишава биоакумулацията на хранителни ненаситени мастни киселини. Това изследване е първото, което демонстрира ефекта на разтворимата захар върху състава на мастните киселини на ларвите на черна войнишка муха. Нашите резултати показват, че тестваните въглехидрати имат значителен ефект върху състава на мастните киселини на ларвите на черна войнишка муха и следователно могат да определят окончателното им приложение.
Глобалното търсене на енергия и животински протеин продължава да нараства1. В контекста на глобалното затопляне е наложително да се намерят по-екологични алтернативи на изкопаемата енергия и традиционните методи за производство на храни, като същевременно се увеличи производството. Насекомите са обещаващи кандидати за справяне с тези проблеми поради техния по-нисък химичен състав и въздействие върху околната среда в сравнение с традиционното животновъдство2. Сред насекомите отличен кандидат за справяне с тези проблеми е черната войнишка муха (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), детритояден вид, способен да се храни с различни органични субстрати3. Следователно валоризирането на тези субстрати чрез отглеждане на BSF може да създаде нов източник на суровини, за да отговори на нуждите на различни индустрии.
Ларвите на BSF (BSFL) могат да се хранят със селскостопански и агропромишлени странични продукти като пивоварно зърно, растителни остатъци, плодова каша и остарял хляб, които са особено подходящи за растеж на BSFL поради високото си съдържание на въглехидрати (CH)4,5, 6 съдържание. Мащабното производство на BSFL води до образуването на два продукта: изпражнения, смес от остатъци от субстрат и изпражнения, които могат да се използват като тор за отглеждане на растения7, и ларви, които са съставени главно от протеини, липиди и хитин. Протеините и липидите се използват главно в животновъдството, биогоривата и козметиката8,9. Що се отнася до хитина, този биополимер намира приложение в хранително-вкусовия сектор, биотехнологиите и здравеопазването10.
BSF е автогенно холометаболно насекомо, което означава, че неговата метаморфоза и възпроизвеждане, особено енергоемките етапи от жизнения цикъл на насекомото, могат да бъдат изцяло поддържани от хранителни резерви, генерирани по време на растежа на ларвите11. По-конкретно, синтезът на протеини и липиди води до развитието на мастното тяло, важен орган за съхранение, който освобождава енергия по време на фазите без хранене на BSF: препупа (т.е. крайният стадий на ларви, по време на който ларвите на BSF почерняват, докато се хранят и търсят за среда, подходяща за метаморфоза), какавиди (т.е. неподвижен стадий, по време на който насекомото претърпява метаморфоза) и възрастни12,13. CH е основният енергиен източник в диетата на BSF14. Сред тези хранителни вещества влакнестите CH като хемицелулоза, целулоза и лигнин, за разлика от дизахаридите и полизахаридите (като нишесте), не могат да бъдат усвоени от BSFL15,16. Храносмилането на СН е важна предварителна стъпка за абсорбцията на въглехидрати, които в крайна сметка се хидролизират до прости захари в червата16. След това простите захари могат да бъдат абсорбирани (т.е. през чревната перитрофична мембрана) и метаболизирани, за да произведат енергия17. Както бе споменато по-горе, ларвите съхраняват излишната енергия като липиди в мастното тяло12,18. Липидите за съхранение се състоят от триглицериди (неутрални липиди, образувани от една молекула глицерол и три мастни киселини), синтезирани от ларвите от хранителни прости захари. Тези CH осигуряват ацетил-CoA субстратите, необходими за биосинтеза на мастни киселини (FA) чрез пътищата на синтазата на мастни киселини и тиоестеразата19. Профилът на мастните киселини на липидите на H. illucens е естествено доминиран от наситени мастни киселини (SFA) с висок дял на лауринова киселина (C12:0)19,20. Поради това високото съдържание на липиди и съставът на мастни киселини бързо се превръщат в ограничаващи фактори за използването на цели ларви в храните за животни, особено в аквакултурите, където са необходими полиненаситени мастни киселини (PUFA)21.
След откриването на потенциала на BSFL за намаляване на органичните отпадъци, проучванията върху стойността на различни странични продукти показват, че съставът на BSFL е частично регулиран от диетата му. Понастоящем регулирането на FA профила на H. illucens продължава да се подобрява. Способността на BSFL да биоакумулира PUFA е демонстрирана върху богати на PUFA субстрати като водорасли, рибни отпадъци или брашна като ленено семе, което осигурява по-висококачествен FA профил за хранене на животни19,22,23. Обратно, за странични продукти, които не са обогатени с PUFA, не винаги има корелация между диетичните профили на FA и ларвните FA, което показва влиянието на други хранителни вещества 24, 25. Всъщност ефектът на смилаемия CH върху профилите на FA остава слабо разбран и недостатъчно проучен24,25,26,27.
Доколкото ни е известно, въпреки че общите монозахариди и дизахариди са изобилни в диетата на H. illucens, тяхната хранителна роля остава слабо разбрана в храненето на H. illucens. Целта на това проучване беше да се изяснят техните ефекти върху храненето и липидния състав на BSFL. Ще оценим растежа, оцеляването и продуктивността на ларвите при различни хранителни условия. След това ще опишем съдържанието на липиди и профила на мастни киселини на всяка диета, за да подчертаем ефектите на CH върху хранителното качество на BSFL.
Ние предположихме, че естеството на тествания CH ще повлияе на (1) растежа на ларвите, (2) общите липидни нива и (3) модулира профила на FA. Монозахаридите могат да се абсорбират директно, докато дизахаридите трябва да бъдат хидролизирани. По този начин монозахаридите са по-достъпни като директни енергийни източници или прекурсори за липогенезата чрез FA синтазните и тиоестеразните пътища, като по този начин засилват растежа на ларвите на H. illucens и насърчават натрупването на резервни липиди (особено лауринова киселина).
Тестваният СН повлиява средното телесно тегло на ларвите по време на растеж (фиг. 1). FRU, GLU, SUC и MAL повишават телесното тегло на ларвите подобно на контролната диета (CEL). Обратно, LAC и GAL изглежда забавят развитието на ларвите. Трябва да се отбележи, че LAC има значителен отрицателен ефект върху растежа на ларвите в сравнение с SUC през целия период на растеж: 9,16 ± 1,10 mg спрямо 15,00 ± 1,01 mg на ден 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; Фиг. 1), 125,11 ± 4,26 mg и 211.79 ± 14.93 mg, съответно, на ден 17 (F6,21 = 38.57, p < 0.001; Фиг. 1).
Използване на различни монозахариди (фруктоза (FRU), галактоза (GAL), глюкоза (GLU)), дизахариди (лактоза (LAC), малтоза (MAL), захароза (SUC)) и целулоза (CEL) като контроли. Растеж на ларви, хранени с ларви на черна войнишка муха. Всяка точка от кривата представлява средното индивидуално тегло (mg), изчислено чрез претегляне на 20 произволно избрани ларви от популация от 100 ларви (n = 4). Лентите за грешки представляват SD.
Диетата CEL осигурява отлична преживяемост на ларвите от 95,5 ± 3,8%. Нещо повече, преживяемостта на диети, хранени с H. illucens, съдържащи разтворим CH, е намалена (GLM: χ = 107.13, df = 21, p <0.001), което е причинено от MAL и SUC (дизахариди) в изследвания CH. Смъртността е по-ниска от тази при GLU, FRU, GAL (монозахарид) и LAC (EMM: p <0,001, Фигура 2).
Boxplot на оцеляване на ларви на черна войнишка муха, третирани с различни монозахариди (фруктоза, галактоза, глюкоза), дизахариди (лактоза, малтоза, захароза) и целулоза като контроли. Леченията с една и съща буква не се различават значително едно от друго (EMM, p > 0,05).
Всички тествани диети позволиха на ларвите да достигнат до стадия на предкумулация. Въпреки това, тестваните СН имат тенденция да удължават развитието на ларвите (F6,21=9,60, p<0,001; Таблица 1). По-специално, ларвите, хранени с GAL и LAC, отнеха повече време, за да достигнат до стадий преди какавида в сравнение с ларвите, отгледани на CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; Таблица 1).
Тестваният CH също има различни ефекти върху телесното тегло на ларвите, като телесното тегло на ларвите, хранени с CEL диета, достига 180.19 ± 11.35 mg (F6,21 = 16.86, p <0.001; Фиг. 3). FRU, GLU, MAL и SUC доведоха до средно крайно телесно тегло на ларви от повече от 200 mg, което беше значително по-високо от това на CEL (p <0.05). Обратно, ларвите, хранени с GAL и LAC, имат по-ниско телесно тегло, средно 177.64 ± 4.23 mg и 156.30 ± 2.59 mg, съответно (p <0.05). Този ефект е по-изразен при LAC, където крайното телесно тегло е по-ниско, отколкото при контролната диета (CEL-LAC: разлика = 23,89 mg; p = 0,03; Фигура 3).
Средно крайно тегло на отделни ларви, изразено като ларвни петна (mg) и черни войнишки мухи, изразено като хистограма (g), хранени с различни монозахариди (фруктоза, галактоза, глюкоза), дизахариди (лактоза, малтоза, захароза) и целулоза (като контрола). Колонните букви представляват групи, значително различни в общото тегло на ларвите (p <0.001). Буквите, свързани с петна от ларви, представляват групи със значително различно индивидуално тегло на ларвите (p <0,001). Лентите за грешки представляват SD.
Максималното индивидуално тегло не зависи от максималното крайно общо тегло на колонията от ларви. Всъщност диетите, съдържащи FRU, GLU, MAL и SUC, не увеличават общото тегло на ларвите, произведени в резервоара, в сравнение с CEL (Фигура 3). Въпреки това, LAC значително намалява общото тегло (CEL-LAC: разлика = 9,14 g; p <0,001; Фигура 3).
Таблица 1 показва добива (ларви/ден). Интересното е, че оптималните добиви на CEL, MAL и SUC са сходни (Таблица 1). Обратно, FRU, GAL, GLU и LAC намаляват добива в сравнение с CEL (Таблица 1). GAL и LAC се представиха най-лошо: добивът беше намален наполовина до само 0,51 ± 0,09 g ларви/ден и съответно 0,48 ± 0,06 g ларви/ден (Таблица 1).
Монозахаридите и дизахаридите повишават липидното съдържание на ларвите на CF (Таблица 1). При диетата CLE бяха получени ларви с липидно съдържание 23,19 ± 0,70% от съдържанието на DM. За сравнение, средното съдържание на липиди в ларви, хранени с разтворима захар, е повече от 30% (Таблица 1). Тестваните СН обаче повишават съдържанието на мазнини в същата степен.
Както се очакваше, субектите на CG повлияха на FA профила на ларвите в различна степен (фиг. 4). Съдържанието на SFA е високо във всички диети и достига над 60%. MAL и SUC дисбалансираха профила на FA, което доведе до повишаване на съдържанието на SFA. В случая на MAL, от една страна, този дисбаланс води предимно до намаляване на съдържанието на мононенаситени мастни киселини (MUFA) (F6,21 = 7.47; p < 0.001; фиг. 4). От друга страна, за SUC намалението е по-равномерно между MUFA и PUFA. LAC и MAL имат противоположни ефекти върху спектъра на FA (SFA: F6,21 = 8,74; p <0,001; MUFA: F6,21 = 7,47; p <0,001; PUFA: χ2 = 19,60; Df = 6; p <0,001; фигура 4). По-ниският дял на SFA в ларвите, хранени с LAC, изглежда увеличава съдържанието на MUFA. По-специално, нивата на MUFA са по-високи в ларви, хранени с LAC, в сравнение с други разтворими захари, с изключение на GAL (F6,21 = 7.47; p <0.001; Фигура 4).
Използвайки различни монозахариди (фруктоза (FRU), галактоза (GAL), глюкоза (GLU)), дизахариди (лактоза (LAC), малтоза (MAL), захароза (SUC)) и целулоза (CEL) като контроли, графика на мастна киселина състав, хранен с ларви на черна войнишка муха. Резултатите са изразени като процент от общото FAME. Леченията, маркирани с различни букви, са значително различни (p <0,001). а) съотношение на наситени мастни киселини; (б) мононенаситени мастни киселини; (c) Полиненаситени мастни киселини.
Сред идентифицираните мастни киселини лауриновата киселина (C12:0) е доминираща във всички наблюдавани спектри (повече от 40%). Други присъстващи SFA са палмитинова киселина (C16:0) (по-малко от 10%), стеаринова киселина (C18:0) (по-малко от 2,5%) и капринова киселина (C10:0) (по-малко от 1,5%). MUFA са представени главно от олеинова киселина (C18: 1n9) (по-малко от 9, 5%), докато PUFAs са съставени главно от линолова киселина (C18: 2n6) (по-малко от 13, 0%) (вижте допълнителна таблица S1). В допълнение, малка част от съединенията не могат да бъдат идентифицирани, особено в спектрите на ларвите на CEL, където неидентифицираното съединение номер 9 (UND9) представлява средно 2, 46 ± 0, 52% (вижте допълнителна таблица S1). GC × GC-FID анализът предполага, че това може да е 20-въглеродна мастна киселина с пет или шест двойни връзки (вижте допълнителна фигура S5).
Анализът PERMANOVA разкрива три отделни групи въз основа на профилите на мастни киселини (F6,21 = 7,79, p <0,001; Фигура 5). Анализът на главните компоненти (PCA) на TBC спектъра илюстрира това и се обяснява с два компонента (Фигура 5). Основните компоненти обясняват 57,9% от дисперсията и включват, по ред на важност, лауринова киселина (C12:0), олеинова киселина (C18:1n9), палмитинова киселина (C16:0), стеаринова киселина (C18:0) и линоленова киселина (C18:3n3) (виж Фигура S4). Вторият компонент обяснява 26,3% от дисперсията и включва, по ред на важност, деканова киселина (C10: 0) и линолова киселина (C18: 2n6 cis) (вижте допълнителна фигура S4). Профилите на диети, съдържащи прости захари (FRU, GAL и GLU) показват подобни характеристики. За разлика от това, дизахаридите дават различни профили: MAL и SUC от една страна и LAC от друга. По-специално, MAL е единствената захар, която променя профила на FA в сравнение с CEL. В допълнение, MAL профилът беше значително различен от FRU и GLU профилите. По-специално, профилът MAL показва най-висок дял на C12:0 (54,59 ± 2,17%), което го прави сравним с CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) и GLU (48,38 ± 2,17%) профили (вижте допълнителната таблица S1). MAL спектърът също показва най-ниското съдържание на C18:1n9 (9,52 ± 0,50%), което допълнително го отличава от LAC (12,86 ± 0,52%) и CEL (12,40 ± 1,31%) спектри. Подобна тенденция се наблюдава за C16:0. Във втория компонент LAC спектърът показва най-високото съдържание на C18:2n6 (17,22 ± 0,46%), докато MAL показва най-ниското (12,58 ± 0,67%). C18: 2n6 също диференцира LAC от контролата (CEL), която показва по-ниски нива (13.41 ± 2.48%) (вижте допълнителна таблица S1).
PCA диаграма на профила на мастни киселини на ларви на черна войнишка муха с различни монозахариди (фруктоза, галактоза, глюкоза), дизахариди (лактоза, малтоза, захароза) и целулоза като контрола.
За да се изследват хранителните ефекти на разтворимите захари върху ларвите на H. illucens, целулозата (CEL) в храната за пилета беше заменена с глюкоза (GLU), фруктоза (FRU), галактоза (GAL), малтоза (MAL), захароза (SUC) и лактоза (LAC). Въпреки това, монозахаридите и дизахаридите имат различни ефекти върху развитието, оцеляването и състава на HF ларвите. Например, GLU, FRU и техните дизахаридни форми (MAL и SUC) упражняват положителни поддържащи ефекти върху растежа на ларвите, което им позволява да постигнат по-високи крайни телесни тегла от CEL. За разлика от несмилаемите CEL, GLU, FRU и SUC могат да заобиколят чревната бариера и да служат като важни източници на хранителни вещества във формулирани диети16,28. MAL няма специфични животински транспортери и се смята, че се хидролизира до две глюкозни молекули преди асимилация15. Тези молекули се съхраняват в тялото на насекомото като директен източник на енергия или като липиди18. Първо, по отношение на последното, някои от наблюдаваните интрамодални разлики може да се дължат на малки разлики в съотношенията между половете. Наистина, при H. illucens възпроизводството може да бъде напълно спонтанно: възрастните женски естествено имат достатъчно запаси за снасяне на яйца и са по-тежки от мъжките29. Въпреки това, натрупването на липиди в BSFL корелира с хранителния разтворим прием на CH2, както беше наблюдавано по-рано за GLU и ксилоза 26, 30. Например, Li et al.30 наблюдава, че когато 8% GLU се добавя към диетата на ларвите, съдържанието на липиди в ларвите на BSF се увеличава със 7,78% в сравнение с контролите. Нашите резултати са в съответствие с тези наблюдения, показвайки, че съдържанието на мазнини в ларвите, хранени с разтворима захар, е по-високо от това на ларвите, хранени с диета CEL, в сравнение с 8,57% увеличение с добавка на GLU. Изненадващо, подобни резултати се наблюдават при ларви, хранени с GAL и LAC, въпреки неблагоприятните ефекти върху растежа на ларвите, крайното телесно тегло и оцеляването. Ларвите, хранени с LAC, са значително по-малки от тези, хранени с диета CEL, но тяхното съдържание на мазнини е сравнимо с това на ларвите, хранени с другите разтворими захари. Тези резултати подчертават антихранителния ефект на лактозата върху BSFL. Първо, диетата съдържа голямо количество CH. Системите за абсорбция и хидролиза на монозахаридите и дизахаридите, съответно, могат да достигнат насищане, причинявайки затруднения в процеса на асимилация. Що се отнася до хидролизата, тя се извършва от α- и β-глюкозидази 31 . Тези ензими имат предпочитани субстрати в зависимост от техния размер и химичните връзки (α или β връзки) между техните съставни монозахариди 15 . Хидролизата на LAC до GLU и GAL се извършва от β-галактозидаза, ензим, чиято активност е демонстрирана в червата на BSF 32 . Въпреки това, неговата експресия може да е недостатъчна в сравнение с количеството LAC, консумирано от ларвите. За разлика от тях, α-глюкозидаза малтаза и сукраза 15, за които е известно, че са изобилно експресирани в насекоми, са в състояние да разграждат големи количества MAL и захароза SUC, като по този начин ограничават този засищащ ефект. Второ, антихранителни ефекти може да се дължат на намаленото стимулиране на активността на чревната амилаза на насекомите и забавянето на хранителното поведение в сравнение с други лечения. Наистина, разтворимите захари са идентифицирани като стимулатори на ензимната активност, важна за храносмилането на насекоми, като амилаза, и като задействащи механизми на реакцията на хранене 33, 34, 35. Степента на стимулиране варира в зависимост от молекулярната структура на захарта. Всъщност дизахаридите изискват хидролиза преди абсорбция и са склонни да стимулират амилазата повече от съставните им монозахариди34. За разлика от това, LAC има по-мек ефект и е установено, че не е в състояние да поддържа растежа на насекоми при различни видове33,35. Например, при вредителя Spodoptera exigua (Boddie 1850), не е открита хидролитична активност на LAC в екстракти от ензими на средното черво на гъсеница36.
По отношение на FA спектъра, нашите резултати показват значителни модулиращи ефекти на тествания CH. По-специално, въпреки че лауриновата киселина (C12: 0) представлява по-малко от 1% от общата FA в диетата, тя доминира във всички профили (вижте допълнителна таблица S1). Това е в съответствие с предишни данни, че лауриновата киселина се синтезира от хранителния CH в H. illucens чрез път, включващ ацетил-CoA карбоксилаза и FA синтаза 19, 27, 37. Нашите резултати потвърждават, че CEL е до голяма степен несмилаем и действа като „пълнител“ в диетите за контрол на BSF, както е обсъдено в няколко проучвания на BSFL38,39,40. Замяната на CEL с монозахариди и дизахариди, различни от LAC, повишава съотношението C12:0, което показва повишено усвояване на CH от ларвите. Интересното е, че дизахаридите MAL и SUC насърчават синтеза на лауринова киселина по-ефективно от съставните им монозахариди, което предполага, че въпреки по-високата степен на полимеризация на GLU и FRU, и тъй като Drosophila е единственият преносител на захароза, който е идентифициран в животински протеинови видове, дизахаридните преносители може да не присъства в червата на ларвите на H. illucens15, използването на GLU и FRU се увеличава. Въпреки това, въпреки че теоретично GLU и FRU се метаболизират по-лесно от BSF, те също се метаболизират по-лесно от субстрати и чревни микроорганизми, което може да доведе до тяхното по-бързо разграждане и намалено използване от ларвите в сравнение с дизахаридите.
На пръв поглед съдържанието на липиди в ларвите, хранени с LAC и MAL, е сравнимо, което показва сходна бионаличност на тези захари. Въпреки това, изненадващо, FA профилът на LAC е по-богат на SFA, особено с по-ниско съдържание на C12:0, в сравнение с MAL. Една хипотеза за обяснение на тази разлика е, че LAC може да стимулира бионатрупването на диетични FA чрез ацетил-CoA FA синтаза. В подкрепа на тази хипотеза, ларвите на LAC имат най-ниското съотношение на деканоат (C10:0) (0,77 ± 0,13%) в сравнение с CEL диетата (1,27 ± 0,16%), което показва намалена активност на FA синтаза и тиоестераза19. Второ, диетичните мастни киселини се считат за основния фактор, влияещ върху състава на SFA на H. illucens27. В нашите експерименти линоловата киселина (C18:2n6) представлява 54,81% от диетичните мастни киселини, като съотношението в ларвите на LAC е 17,22 ± 0,46% и в MAL 12,58 ± 0,67%. Олеиновата киселина (цис + транс C18:1n9) (23,22% в диетата) показва подобна тенденция. Съотношението на α-линоленова киселина (C18:3n3) също подкрепя хипотезата за биоакумулиране. Известно е, че тази мастна киселина се натрупва в BSFL при обогатяване на субстрата, като добавяне на торта от ленено семе, до 6-9% от общите мастни киселини в ларвите19. В обогатените диети, C18:3n3 може да представлява до 35% от общите хранителни мастни киселини. Въпреки това, в нашето проучване C18:3n3 представлява само 2,51% от профила на мастни киселини. Въпреки че пропорцията, открита в природата, е по-ниска в нашите ларви, тази пропорция е по-висока в ларвите на LAC (0.87 ± 0.02%), отколкото в MAL (0.49 ± 0.04%) (p <0.001; вижте допълнителна таблица S1). Диетата CEL има междинен дял от 0,72 ± 0,18%. И накрая, съотношението на палмитинова киселина (C16: 0) в ларвите на CF отразява приноса на синтетичните пътища и хранителния FA19. Hoc и др. 19 наблюдава, че синтезът на C16:0 е намален, когато диетата е обогатена с брашно от ленено семе, което се дължи на намаляване на наличността на ацетил-CoA субстрата поради намаляване на съотношението CH. Изненадващо, въпреки че и двете диети имаха сходно съдържание на CH и MAL показаха по-висока бионаличност, ларвите на MAL показаха най-ниското съотношение C16:0 (10,46 ± 0,77%), докато LAC показа по-висок дял, представляващ 12,85 ± 0,27% (p <0,05; вижте Допълнителна таблица S1). Тези резултати подчертават комплексното влияние на хранителните вещества върху BSFL храносмилането и метаболизма. Понастоящем изследванията по тази тема са по-задълбочени при Lepidoptera, отколкото при Diptera. При гъсениците LAC е идентифициран като слаб стимулант на хранителното поведение в сравнение с други разтворими захари като SUC и FRU34,35. По-специално, при Spodopteralittoralis (Boisduval 1833), консумацията на MAL стимулира амилолитична активност в червата в по-голяма степен от LAC34. Подобни ефекти при BSFL могат да обяснят засиленото стимулиране на C12:0 синтетичния път в ларвите на MAL, което е свързано с повишено чревно абсорбирано CH, продължително хранене и действие на чревната амилаза. По-слабото стимулиране на ритъма на хранене в присъствието на LAC може също да обясни по-бавния растеж на ларвите на LAC. Освен това Liu Yanxia et al. 27 отбелязва, че срокът на годност на липидите в субстратите на H. illucens е по-дълъг от този на CH. Следователно, ларвите на LAC могат да разчитат повече на диетични липиди, за да завършат своето развитие, което може да увеличи крайното им съдържание на липиди и да модулира техния профил на мастни киселини.
Доколкото ни е известно, само няколко проучвания са тествали ефектите от добавянето на монозахариди и дизахариди към BSF диети върху техните FA профили. Първо, Li et al. 30 оценяват ефектите на GLU и ксилозата и наблюдават липидни нива, подобни на нашите при 8% скорост на добавяне. Профилът на FA не беше подробен и се състоеше главно от SFA, но не бяха открити разлики между двете захари или когато бяха представени едновременно30. Освен това, Cohn et al. 41 не показва ефект от добавянето на 20% GLU, SUC, FRU и GAL към храната за пилета върху съответните FA профили. Тези спектри са получени от технически, а не от биологични повторения, което, както е обяснено от авторите, може да ограничи статистическия анализ. Освен това, липсата на изо-захарен контрол (използвайки CEL) ограничава тълкуването на резултатите. Наскоро две проучвания на Nugroho RA et al. демонстрира аномалии в спектрите на FA42,43. В първото проучване Nugroho RA et al. 43 тестваха ефекта от добавянето на FRU към ферментирало брашно от палмови ядки. Профилът на FA на получените ларви показва необичайно високи нива на PUFA, повече от 90% от които са получени от диета, съдържаща 10% FRU (подобно на нашето изследване). Въпреки че тази диета съдържа рибни пелети, богати на PUFA, докладваните стойности на FA профил на ларвите на контролната диета, състояща се от 100% ферментирал PCM, не са в съответствие с никой предишен докладван профил, по-специално с анормалното ниво на C18:3n3 от 17,77 ± 1,67% и 26,08 ± 0,20% за конюгирана линолова киселина (C18:2n6t), рядък изомер на линолова киселина. Второто проучване показа подобни резултати, включително FRU, GLU, MAL и SUC42 във ферментирало брашно от палмови ядки. Тези проучвания, подобно на нашето, подчертават сериозни трудности при сравняването на резултатите от диетичните изпитания на ларви на BSF, като избор на контрол, взаимодействия с други източници на хранителни вещества и методи за анализ на FA.
По време на експериментите наблюдавахме, че цветът и миризмата на субстрата варират в зависимост от използваната диета. Това предполага, че микроорганизмите могат да играят роля в резултатите, наблюдавани в субстрата и храносмилателната система на ларвите. Всъщност монозахаридите и дизахаридите лесно се метаболизират от колонизиращи микроорганизми. Бързата консумация на разтворими захари от микроорганизми може да доведе до освобождаване на големи количества микробни метаболитни продукти като етанол, млечна киселина, късоверижни мастни киселини (напр. оцетна киселина, пропионова киселина, маслена киселина) и въглероден диоксид44. Някои от тези съединения може да са отговорни за леталните токсични ефекти върху ларвите, също наблюдавани от Cohn et al.41 при подобни условия на развитие. Например етанолът е вреден за насекомите45. Големите количества емисии на въглероден диоксид могат да доведат до натрупването му на дъното на резервоара, което може да лиши атмосферата от кислород, ако циркулацията на въздуха не позволява освобождаването му. По отношение на SCFAs, техните ефекти върху насекоми, особено H. illucens, остават слабо разбрани, въпреки че млечната киселина, пропионовата киселина и маслената киселина са показали, че са смъртоносни при Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. В Drosophila melanogaster Meigen 1830, тези SCFA са обонятелни маркери, които насочват женските към местата за полагане на яйца, което предполага полезна роля в развитието на ларвите47. Оцетната киселина обаче се класифицира като опасно вещество и може значително да инхибира развитието на ларвите47. За разлика от тях, наскоро беше установено, че лактатът, получен от микроби, има защитен ефект срещу инвазивни чревни микроби в Drosophila48. Освен това, микроорганизмите в храносмилателната система също играят роля в смилането на CH при насекомите49. Физиологичните ефекти на SCFA върху чревната микробиота, като скорост на хранене и генна експресия, са описани при гръбначни животни 50 . Те могат също така да имат трофичен ефект върху ларвите на H. illucens и могат да допринесат отчасти за регулирането на FA профилите. Проучванията върху хранителните ефекти на тези продукти на микробна ферментация ще изяснят ефектите им върху храненето на H. illucens и ще осигурят основа за бъдещи изследвания на полезни или вредни микроорганизми по отношение на тяхното развитие и стойността на богатите на FA субстрати. В тази връзка все повече се изследва ролята на микроорганизмите в храносмилателните процеси на масово отглежданите насекоми. Насекомите започват да се разглеждат като биореактори, осигуряващи рН и условия за насищане с кислород, които улесняват развитието на микроорганизми, специализирани в разграждането или детоксикацията на хранителни вещества, които са трудни за смилане от насекомите 51 . Наскоро Xiang et al.52 показаха, че например инокулирането на органични отпадъци с бактериална смес позволява на CF да привлече бактерии, специализирани в разграждането на лигноцелулозата, подобрявайки нейното разграждане в субстрата в сравнение със субстрати без ларви.
И накрая, по отношение на полезното използване на органични отпадъци от H. illucens, диетите CEL и SUC произвеждат най-голям брой ларви на ден. Това означава, че въпреки по-ниското крайно тегло на отделните индивиди, общото тегло на ларвите, произведено върху субстрат, състоящ се от несмилаем CH, е сравнимо с това, получено при хомозахаридна диета, съдържаща монозахариди и дизахариди. В нашето проучване е важно да се отбележи, че нивата на други хранителни вещества са достатъчни, за да поддържат растежа на популацията на ларвите и че добавянето на CEL трябва да бъде ограничено. Крайният състав на ларвите обаче се различава, което подчертава важността на избора на правилната стратегия за валоризиране на насекомите. Ларвите CEL, хранени с цели фуражи, са по-подходящи за използване като храна за животни поради по-ниското им съдържание на мазнини и по-ниските нива на лауринова киселина, докато ларвите, хранени с диети SUC или MAL, изискват обезмасляване чрез пресоване, за да се увеличи стойността на маслото, особено в биогоривото сектор. LAC се намира в страничните продукти на млечната промишленост, като суроватка от производството на сирене. Наскоро употребата му (3,5% лактоза) подобри крайното телесно тегло на ларвите53. Въпреки това, контролната диета в това проучване съдържа половината съдържание на липиди. Следователно, антихранителните ефекти на LAC може да са били противодействани от биоакумулирането на ларви на диетични липиди.
Както е показано от предишни проучвания, свойствата на монозахаридите и дизахаридите значително влияят върху растежа на BSFL и модулират неговия FA профил. По-специално, LAC изглежда играе антихранителна роля по време на развитието на ларвите чрез ограничаване на наличието на CH за диетична абсорбция на липиди, като по този начин насърчава бионатрупването на UFA. В този контекст би било интересно да се проведат биотестове, като се използват диети, комбиниращи PUFA и LAC. Освен това, ролята на микроорганизмите, особено ролята на микробните метаболити (като SCFAs), получени от процеси на ферментация на захар, остава изследователска тема, която си заслужава да бъде изследвана.
Насекомите са получени от колонията BSF на Лабораторията по функционална и еволюционна ентомология, създадена през 2017 г. в Agro-Bio Tech, Gembloux, Белгия (за повече подробности относно методите на отглеждане вижте Hoc et al. 19). За експериментални опити, 2.0 g BSF яйца се събират на случаен принцип всеки ден от клетки за разплод и се инкубират в 2.0 kg 70% мокра храна за пилета (Aveve, Leuven, Белгия). Пет дни след излюпването, ларвите се отделят от субстрата и се преброяват ръчно за експериментални цели. Първоначалното тегло на всяка партида беше измерено. Средното индивидуално тегло е 7.125 ± 0.41 mg, а средното за всяко лечение е показано в допълнителна таблица S2.
Формулировката на диетата е адаптирана от проучването на Barragan-Fonseca et al. 38 . Накратко, беше намерен компромис между едно и също качество на храната за пилета с ларви, подобно съдържание на сухо вещество (DM), висок CH (10% на база прясна диета) и текстура, тъй като простите захари и дизахариди нямат текстурни свойства. Според информацията на производителя (Chicken Feed, AVEVE, Льовен, Белгия), тестваният CH (т.е. разтворима захар) се добавя отделно като автоклавен воден разтвор (15,9%) към диета, състояща се от 16,0% протеин, 5,0% общи липиди, 11,9% смлян пилешки фураж, състоящ се от пепел и 4,8% фибри. Във всеки буркан от 750 ml (17.20 × 11.50 × 6.00 cm, AVA, Tempsee, Белгия), 101.9 g автоклавен CH разтвор се смесват с 37.8 g храна за пилета. За всяка диета съдържанието на сухо вещество е 37,0%, включително хомогенен протеин (11,7%), хомогенни липиди (3,7%) и хомогенни захари (26,9% от добавения CH). Тестваните CH са глюкоза (GLU), фруктоза (FRU), галактоза (GAL), малтоза (MAL), захароза (SUC) и лактоза (LAC). Контролната диета се състои от целулоза (CEL), която се счита за несмилаема за ларвите на H. illucens 38 . Сто 5-дневни ларви се поставят в табла, снабдена с капак с отвор с диаметър 1 cm в средата и покрита с пластмасова мрежа против комари. Всяка диета се повтаря четири пъти.
Теглото на ларвите се измерва три дни след началото на експеримента. За всяко измерване 20 ларви бяха отстранени от субстрата с помощта на стерилна топла вода и форцепс, изсушени и претеглени (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, САЩ). След претегляне ларвите се връщат в центъра на субстрата. Измерванията се извършват редовно три пъти седмично до появата на първата препупа. В този момент съберете, пребройте и претеглете всички ларви, както е описано по-горе. Отделете ларви от стадий 6 (т.е. бели ларви, съответстващи на стадия на ларвите, предшестващ стадия пред какавида) и предкакавидите (т.е. последния стадий на ларви, по време на който ларвите на BSF почерняват, спират да се хранят и търсят среда, подходяща за метаморфоза) и съхранявайте на - 18°C за анализ на състава. Добивът се изчислява като съотношението на общата маса на насекоми (ларви и предкакавиди от стадий 6), получени на блюдо (g), към времето на развитие (d). Всички средни стойности в текста са изразени като: средно ± SD.
Всички последващи стъпки с използване на разтворители (хексан (Hex), хлороформ (CHCl3), метанол (MeOH)) бяха извършени под абсорбатор и изискваха носенето на нитрилни ръкавици, престилки и предпазни очила.
Белите ларви се сушат в сушилня за замразяване FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) в продължение на 72 часа и след това се смилат (IKA A10, Staufen, Германия). Общите липиди се екстрахират от ±1 g прах, като се използва методът на Folch 54. Съдържанието на остатъчна влага на всяка лиофилизирана проба се определя в два екземпляра, като се използва анализатор на влага (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Германия), за да се коригира общите липиди.
Общите липиди бяха трансестерифицирани при киселинни условия, за да се получат метилови естери на мастни киселини. Накратко, приблизително 10 mg липиди/100 µl CHCl3 разтвор (100 µl) се изпаряват с азот в 8 ml Pyrex© епруветка (SciLabware – DWK Life Sciences, Лондон, Обединеното кралство). Епруветката се поставя в Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-хексан > 95% за анализ на органични следи, VWR Chemicals, Radnor, PA, САЩ) и разтвор на Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) (0,5 ml) във водна баня при 70 °C за 90 min. След охлаждане се добавят 10% воден разтвор на H2SO4 (0.2 ml) и наситен разтвор на NaCl (0.5 ml). Разбъркайте епруветката и напълнете сместа с чист Hex (8,0 mL). Част от горната фаза се прехвърля във флакон и се анализира чрез газова хроматография с пламъчно-йонизационен детектор (GC-FID). Пробите бяха анализирани с помощта на Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, Масачузетс, САЩ), оборудван с разделен/безразделен инжектор (240 °C) в режим на разделяне (разделен поток: 10 mL/min), колона Stabilwax®-DA ( 30 m, 0,25 mm вътрешен диаметър, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, САЩ) и FID (250 °C). Температурната програма беше зададена както следва: 50 °C за 1 min, повишаване до 150 °C при 30 °C/min, повишаване до 240 °C при 4 °C/min и продължаване при 240 °C за 5 min. Hex беше използван като празна проба и референтен стандарт, съдържащ 37 метилови естери на мастни киселини (Supelco 37-component FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Белгия) беше използван за идентификация. Идентифицирането на ненаситени мастни киселини (UFAs) беше потвърдено чрез изчерпателна двумерна GC (GC × GC-FID) и наличието на изомери беше точно определено чрез лека адаптация на метода на Ferrara et al. 55. Подробности за инструмента могат да бъдат намерени в допълнителна таблица S3, а резултатите в допълнителна фигура S5.
Данните са представени във формат на електронна таблица на Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Статистическият анализ беше извършен с помощта на R Studio (версия 2023.12.1+402, Бостън, САЩ) 56 . Данните за теглото на ларвите, времето за развитие и производителността бяха оценени с помощта на линейния модел (LM) (команда „lm“, R пакет „статистика“ 56), тъй като те отговарят на гаусово разпределение. Процентите на преживяемост с помощта на анализ на биномен модел бяха оценени с помощта на общия линеен модел (GLM) (команда „glm“, R пакет „lme4“ 57). Нормалността и хомоскедастичността бяха потвърдени с помощта на теста на Шапиро (команда „shapiro.test“, R пакет „stats“ 56) и анализ на вариацията на данните (команда betadisper, R пакет „vegan“ 58). След анализ по двойки на значими p-стойности (p <0,05) от теста LM или GLM, бяха открити значителни разлики между групите с помощта на теста EMM (команда „emmeans“, R пакет „emmeans“ 59).
Пълните FA спектри бяха сравнени с помощта на многовариантен пермутационен анализ на дисперсията (т.е. permMANOVA; команда „adonis2“, R пакет „vegan“ 58), използвайки Евклидовата матрица на разстоянието и 999 пермутации. Това помага да се идентифицират мастни киселини, които се влияят от естеството на хранителните въглехидрати. Значителни разлики в профилите на FA бяха допълнително анализирани с помощта на сравнения по двойки. След това данните бяха визуализирани с помощта на анализ на главните компоненти (PCA) (команда „PCA“, R пакет „FactoMineR“ 60). FA, отговорен за тези разлики, беше идентифициран чрез интерпретиране на корелационните кръгове. Тези кандидати бяха потвърдени с помощта на еднопосочен анализ на дисперсията (ANOVA) (команда „aov“, R пакет „статистика“ 56), последван от post hoc тест на Tukey (команда TukeyHSD, R пакет „статистика“ 56). Преди анализа, нормалността беше оценена с помощта на теста на Shapiro-Wilk, хомоскедастичността беше проверена с помощта на теста на Bartlett (команда „bartlett.test“, R пакет „stats“ 56) и беше използван непараметричен метод, ако нито едно от двете предположения не беше изпълнено . Анализите бяха сравнени (команда „kruskal.test“, R пакет „stats“ 56) и след това бяха приложени post hoc тестовете на Dunn (команда dunn.test, R пакет „dunn.test“ 56).
Окончателната версия на ръкописа беше проверена с помощта на Grammarly Editor като английски коректор (Grammarly Inc., Сан Франциско, Калифорния, САЩ) 61 .
Наборите от данни, генерирани и анализирани по време на настоящото проучване, са достъпни от съответния автор при разумно искане.
Kim, SW и др. Посрещане на глобалното търсене на фуражен протеин: предизвикателства, възможности и стратегии. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Преглед на състоянието и перспективите на световното производство на ядливи насекоми. Entomol. Ген. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Черна войнишка муха (Hermetia illucens) като потенциално иновативен и екологичен инструмент за управление на органични отпадъци: кратък преглед. Изследване на управлението на отпадъците 41, 81–97 (2023).
Скала, А. и др. Субстратът за отглеждане влияе върху растежа и статуса на макроелементите на промишлено произведени ларви на черна войнишка муха. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Антимикробни свойства на маслени екстракти от ларви на черна войнишка муха, отглеждани върху галета. Наука за храните за животни, 64, (2024).
Schmitt, E. и de Vries, W. (2020). Потенциални ползи от използването на оборски тор от черни войници като допълнение към почвата за производство на храни и намалено въздействие върху околната среда. Актуално мнение. Зелено поддържане. 25, 100335 (2020).
Франко А. и др. Липиди от черни войници - иновативен и устойчив източник. Устойчиво развитие, бр. 13, (2021).
Van Huis, A. Насекомите като храна и фураж, нововъзникваща област в селското стопанство: преглед. J. Храна за насекоми 6, 27–44 (2020).
Качор, М., Булак, П., Проц-Петриха, К., Кириченко-Бабко, М. и Бегановски, А. Различни употреби на черна войнишка муха в промишлеността и селското стопанство – преглед. Биология 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. и Caparros Megido, R. Оптимизиране на изкуственото размножаване на Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Време на публикуване: 25 декември 2024 г