Děkujeme, že jste navštívili Nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS. Pro dosažení nejlepších výsledků doporučujeme použít novější prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v Internet Exploreru). Mezitím, abychom zajistili nepřetržitou podporu, budeme web zobrazovat bez stylů a JavaScriptu.
Moucha černá (Hermetia illucens, L. 1758) je všežravý detritivorní hmyz s vysokým potenciálem využití organických vedlejších produktů bohatých na sacharidy. Mezi sacharidy se mouchy černého vojáka spoléhají na rozpustné cukry pro růst a syntézu lipidů. Cílem této studie bylo vyhodnotit účinky běžných rozpustných cukrů na vývoj, přežití a profil mastných kyselin u much černého vojáka. Kuřecímu krmivu doplňujte monosacharidy a disacharidy samostatně. Jako kontrola byla použita celulóza. Larvy krmené glukózou, fruktózou, sacharózou a maltózou rostly rychleji než kontrolní larvy. Naproti tomu laktóza měla na larvy antinutriční účinek, zpomalila růst a snížila konečnou individuální tělesnou hmotnost. Nicméně všechny rozpustné cukry způsobily, že larvy byly tlustší než ty, které byly krmeny kontrolní stravou. Pozoruhodné je, že testované cukry formovaly profil mastných kyselin. Maltóza a sacharóza zvýšily obsah nasycených mastných kyselin ve srovnání s celulózou. Naproti tomu laktóza zvyšovala bioakumulaci nenasycených mastných kyselin z potravy. Tato studie je první, která demonstruje účinek rozpustného cukru na složení mastných kyselin larev černé mouchy. Naše výsledky naznačují, že testované sacharidy mají významný vliv na složení mastných kyselin larev mušky černého a mohou tedy určovat jejich konečnou aplikaci.
Celosvětová poptávka po energii a živočišných bílkovinách nadále roste1. V souvislosti s globálním oteplováním je nezbytné najít ekologičtější alternativy k fosilní energii a tradičním metodám výroby potravin a zároveň zvýšit produkci. Hmyz je slibnými kandidáty na řešení těchto problémů díky svému nižšímu chemickému složení a dopadu na životní prostředí ve srovnání s tradičním chovem dobytka2. Mezi hmyzem je vynikajícím kandidátem na řešení těchto problémů moucha černá (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), detritivorní druh schopný živit se řadou organických substrátů3. Zhodnocení těchto substrátů prostřednictvím šlechtění BSF by proto mohlo vytvořit nový zdroj surovin pro uspokojení potřeb různých průmyslových odvětví.
Larvy BSF (BSFL) se mohou živit zemědělskými a zemědělsko-průmyslovými vedlejšími produkty, jako je pivovarské obilí, zeleninové zbytky, ovocná dužina a starý chléb, které jsou zvláště vhodné pro růst BSFL díky vysokému obsahu sacharidů (CH)4,5, 6 obsah. Při velkovýrobě BSFL vznikají dva produkty: výkaly, směs zbytků substrátu a výkalů, které lze použít jako hnojivo pro pěstování rostlin7, a larvy, které se skládají převážně z proteinů, lipidů a chitinu. Proteiny a lipidy se používají hlavně v chovu hospodářských zvířat, v biopalivech a v kosmetice8,9. Pokud jde o chitin, tento biopolymer nachází uplatnění v zemědělsko-potravinářském sektoru, biotechnologii a zdravotnictví10.
BSF je autogenní holometabolní hmyz, což znamená, že jeho metamorfóza a rozmnožování, zejména energeticky náročné fáze životního cyklu hmyzu, mohou být zcela podporovány zásobami živin vytvořenými během růstu larev11. Přesněji řečeno, syntéza proteinů a lipidů vede k vývoji tukového těla, důležitého zásobního orgánu, který uvolňuje energii během fází BSF bez krmení: prepupa (tj. konečné larvální stadium, během kterého larvy BSF zčernají při krmení a hledání pro prostředí vhodné pro metamorfózu), kukly (tj. nepohyblivé stádium, během kterého hmyz prochází metamorfózou) a dospělce12,13. CH je hlavním zdrojem energie ve stravě BSF14. Mezi těmito živinami vláknitý CH, jako je hemicelulóza, celulóza a lignin, na rozdíl od disacharidů a polysacharidů (jako je škrob), nemůže být štěpen BSFL15,16. Trávení CH je důležitým předběžným krokem pro vstřebávání sacharidů, které jsou nakonec ve střevě hydrolyzovány na jednoduché cukry16. Jednoduché cukry pak mohou být absorbovány (tj. střevní peritrofickou membránou) a metabolizovány za vzniku energie17. Jak bylo uvedeno výše, larvy ukládají přebytečnou energii jako lipidy v tukovém těle12,18. Zásobní lipidy se skládají z triglyceridů (neutrální lipidy tvořené z jedné molekuly glycerolu a tří mastných kyselin), které larvy syntetizují z jednoduchých cukrů v potravě. Tyto CH poskytují acetyl-CoA substráty potřebné pro biosyntézu mastných kyselin (FA) cestou syntázy mastných kyselin a thioesterázy19. V profilu mastných kyselin lipidů H. illucens přirozeně dominují nasycené mastné kyseliny (SFA) s vysokým podílem kyseliny laurové (C12:0)19,20. Vysoký obsah lipidů a složení mastných kyselin se proto rychle stávají limitujícími faktory pro použití celých larev v krmivu pro zvířata, zejména v akvakultuře, kde jsou zapotřebí polynenasycené mastné kyseliny (PUFA)21.
Od objevu potenciálu BSFL snížit organický odpad studie o hodnotě různých vedlejších produktů ukázaly, že složení BSFL je částečně regulováno jeho stravou. V současné době se regulace profilu FA H. illucens nadále zlepšuje. Schopnost BSFL bioakumulovat PUFA byla prokázána na substrátech bohatých na PUFA, jako jsou řasy, rybí odpad nebo moučka, jako je lněné semínko, které poskytuje vyšší kvalitu profilu FA pro výživu zvířat19,22,23. Naproti tomu u vedlejších produktů, které nejsou obohaceny o PUFA, neexistuje vždy korelace mezi profily MK v potravě a MK, což ukazuje na vliv jiných živin24,25. Ve skutečnosti zůstává účinek stravitelného CH na profily FA nedostatečně pochopen a nedostatečně prozkoumán24,25,26,27.
Podle našeho nejlepšího vědomí, ačkoli celkové monosacharidy a disacharidy jsou ve stravě H. illucens hojné, jejich nutriční role zůstává ve výživě H. illucens špatně pochopena. Cílem této studie bylo objasnit jejich vliv na výživu BSFL a složení lipidů. Budeme hodnotit růst, přežití a produktivitu larev za různých podmínek výživy. Poté popíšeme obsah lipidů a profil mastných kyselin každé diety, abychom zdůraznili účinky CH na nutriční kvalitu BSFL.
Předpokládali jsme, že povaha testovaného CH ovlivní (1) růst larev, (2) celkové hladiny lipidů a (3) moduluje profil FA. Monosacharidy mohou být absorbovány přímo, zatímco disacharidy musí být hydrolyzovány. Monosacharidy jsou tedy dostupnější jako přímé zdroje energie nebo prekurzory pro lipogenezi prostřednictvím FA syntázových a thioesterázových drah, čímž zvyšují růst larev H. illucens a podporují akumulaci rezervních lipidů (zejména kyseliny laurové).
Testovaný CH ovlivnil průměrnou tělesnou hmotnost larev během růstu (obr. 1). FRU, GLU, SUC a MAL zvýšily tělesnou hmotnost larev podobně jako kontrolní dieta (CEL). Naproti tomu se zdálo, že LAC a GAL zpomalují vývoj larev. Je pozoruhodné, že LAC měl významný negativní účinek na růst larev ve srovnání s SUC po celou dobu růstu: 9,16 ± 1,10 mg oproti 15,00 ± 1,01 mg v den 3 (F6,21 = 12,77, p < 0,001; obr. 1), 125,11 ± 4,26 mg a 211,79 ± 14,93 mg, respektive v den 17 (F6,21 = 38,57, p < 0,001; obr. 1).
Použití různých monosacharidů (fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), glukóza (GLU)), disacharidy (laktóza (LAC), maltóza (MAL), sacharóza (SUC)) a celulóza (CEL) jako kontroly. Růst larev krmených larvami much černého vojáka. Každý bod na křivce představuje průměrnou individuální hmotnost (mg) vypočítanou zvážením 20 náhodně vybraných larev z populace 100 larev (n = 4). Chybové úsečky představují SD.
Dieta CEL poskytla vynikající přežití larev 95,5 ± 3,8 %. Navíc bylo sníženo přežití H. illucens krmených stravou obsahující rozpustný CH (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), což bylo způsobeno MAL a SUC (disacharidy) ve studovaném CH. Mortalita byla nižší než u GLU, FRU, GAL (monosacharid) a LAC (EMM: p < 0,001, obrázek 2).
Boxplot přežití larev černé mouchy ošetřené různými monosacharidy (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidy (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou jako kontrolami. Léčba se stejným písmenem se od sebe významně neliší (EMM, p > 0,05).
Všechny testované diety umožnily larvám dosáhnout prepupal fáze. Testované CH však měly tendenci prodlužovat vývoj larev (F6,21=9,60, p<0,001; tabulka 1). Zejména larvám krmeným GAL a LAC trvalo déle, než dosáhly prepupal fáze ve srovnání s larvami chovanými na CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; tabulka 1).
Testovaný CH měl také různé účinky na tělesnou hmotnost larev, přičemž tělesná hmotnost larev krmených CEL dietou dosahovala 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; obr. 3). FRU, GLU, MAL a SUC vedly k průměrné konečné tělesné hmotnosti larev více než 200 mg, což bylo významně vyšší než u CEL (p < 0,05). Naproti tomu larvy krmené GAL a LAC měly nižší tělesnou hmotnost, v průměru 177,64 ± 4,23 mg a 156,30 ± 2,59 mg, v daném pořadí (p < 0,05). Tento účinek byl výraznější u LAC, kde byla konečná tělesná hmotnost nižší než u kontrolní diety (CEL-LAC: rozdíl = 23,89 mg; p = 0,03; obrázek 3).
Průměrná konečná hmotnost jednotlivých larev vyjádřená jako skvrny larev (mg) a mušek černého vyjádřená jako histogram (g) krmených různými monosacharidy (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidy (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou (jako kontrola). Sloupcová písmena představují skupiny významně odlišné v celkové hmotnosti larev (p < 0,001). Písmena spojená s larválními skvrnami představují skupiny s výrazně odlišnou hmotností jednotlivých larev (p < 0,001). Chybové úsečky představují SD.
Maximální individuální hmotnost byla nezávislá na maximální konečné celkové hmotnosti larválních kolonií. Ve skutečnosti diety obsahující FRU, GLU, MAL a SUC nezvýšily celkovou hmotnost larev produkovaných v nádrži ve srovnání s CEL (obrázek 3). LAC však významně snížil celkovou hmotnost (CEL-LAC: rozdíl = 9,14 g; p < 0,001; obrázek 3).
Tabulka 1 ukazuje výnos (larvy/den). Je zajímavé, že optimální výtěžky CEL, MAL a SUC byly podobné (tabulka 1). Naproti tomu FRU, GAL, GLU a LAC snížily výtěžek ve srovnání s CEL (tabulka 1). Nejhůře dopadly GAL a LAC: výtěžek byl poloviční na pouhých 0,51 ± 0,09 g larev/den a 0,48 ± 0,06 g larev/den, v daném pořadí (tabulka 1).
Monosacharidy a disacharidy zvýšily obsah lipidů u larev CF (tabulka 1). Na dietě CLE byly získány larvy s obsahem lipidů 23,19 ± 0,70 % obsahu DM. Pro srovnání, průměrný obsah lipidů u larev krmených rozpustným cukrem byl více než 30 % (tabulka 1). Testované CH však zvýšily obsah tuku ve stejné míře.
Jak se očekávalo, subjekty CG ovlivňovaly profil FA larev v různé míře (obr. 4). Obsah SFA byl vysoký ve všech dietách a dosahoval více než 60 %. MAL a SUC nevyvážily profil FA, což vedlo ke zvýšení obsahu SFA. V případě MAL vedla tato nerovnováha na jedné straně především ke snížení obsahu mononenasycených mastných kyselin (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; obr. 4). Na druhou stranu u SUC byl pokles rovnoměrnější mezi MUFA a PUFA. LAC a MAL měly opačné účinky na spektrum 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; obrázek 4). Zdá se, že nižší podíl SFA u larev krmených LAC zvyšuje obsah MUFA. Zejména hladiny MUFA byly vyšší u larev krmených LAC ve srovnání s jinými rozpustnými cukry kromě GAL (F6,21 = 7,47; p < 0,001; obrázek 4).
Použití různých monosacharidů (fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), glukóza (GLU)), disacharidy (laktóza (LAC), maltóza (MAL), sacharóza (SUC)) a celulóza (CEL) jako kontroly, krabicový graf mastných kyselin kompozice podávaná larvám much černého vojáka. Výsledky jsou vyjádřeny jako procento celkového FAME. Léčba označená různými písmeny se významně liší (p < 0,001). a) Podíl nasycených mastných kyselin; b) mononenasycené mastné kyseliny; c) Polynenasycené mastné kyseliny.
Mezi identifikovanými mastnými kyselinami byla ve všech sledovaných spektrech dominantní kyselina laurová (C12:0) (více než 40 %). Dalšími přítomnými SFA byly kyselina palmitová (C16:0) (méně než 10 %), kyselina stearová (C18:0) (méně než 2,5 %) a kyselina kaprinová (C10:0) (méně než 1,5 %). MUFA byly zastoupeny hlavně kyselinou olejovou (C18:1n9) (méně než 9,5 %), zatímco PUFA byly složeny hlavně z kyseliny linolové (C18:2n6) (méně než 13,0 %) (viz doplňková tabulka S1). Kromě toho nebylo možné identifikovat malý podíl sloučenin, zejména ve spektrech larev CEL, kde neidentifikovaná sloučenina číslo 9 (UND9) představovala v průměru 2,46 ± 0,52 % (viz doplňková tabulka S1). Analýza GC × GC-FID naznačila, že by to mohla být 20-uhlíková mastná kyselina s pěti nebo šesti dvojnými vazbami (viz doplňkový obrázek S5).
Analýza PERMANOVA odhalila tři odlišné skupiny na základě profilů mastných kyselin (F6,21 = 7,79, p < 0,001; obrázek 5). Analýza hlavních složek (PCA) spektra TBC to ilustruje a je vysvětlena dvěma složkami (obrázek 5). Hlavní složky vysvětlovaly 57,9 % rozptylu a zahrnovaly v pořadí důležitosti kyselinu laurovou (C12:0), kyselinu olejovou (C18:1n9), kyselinu palmitovou (C16:0), kyselinu stearovou (C18:0) a kyselina linolenová (C18:3n3) (viz obrázek S4). Druhá složka vysvětlila 26,3 % rozptylu a zahrnovala v pořadí důležitosti kyselinu děkanovou (C10:0) a kyselinu linolovou (C18:2n6 cis) (viz doplňkový obrázek S4). Profily diet obsahujících jednoduché cukry (FRU, GAL a GLU) vykazovaly podobné charakteristiky. Naproti tomu disacharidy poskytly různé profily: MAL a SUC na jedné straně a LAC na straně druhé. Konkrétně MAL byl jediný cukr, který změnil profil FA ve srovnání s CEL. Kromě toho se profil MAL výrazně lišil od profilů FRU a GLU. Zejména profil MAL vykazoval nejvyšší podíl C12:0 (54,59 ± 2,17 %), čímž byl srovnatelný s CEL (43,10 ± 5,01 %), LAC (43,35 ± 1,31 %), FRU (48,90 ± 1,97 %) a Profily GLU (48,38 ± 2,17 %) (viz doplňková tabulka S1). Spektrum MAL také vykazovalo nejnižší obsah C18:1n9 (9,52 ± 0,50 %), což jej dále odlišovalo od spekter LAC (12,86 ± 0,52 %) a CEL (12,40 ± 1,31 %). Podobný trend byl pozorován u C16:0. Ve druhé složce vykazovalo spektrum LAC nejvyšší obsah C18:2n6 (17,22 ± 0,46 %), zatímco MAL vykazovalo nejnižší (12,58 ± 0,67 %). C18:2n6 také odlišil LAC od kontroly (CEL), která vykazovala nižší hladiny (13,41 ± 2,48 %) (viz doplňková tabulka S1).
PCA graf profilu mastných kyselin larev černé mouchy s různými monosacharidy (fruktóza, galaktóza, glukóza), disacharidy (laktóza, maltóza, sacharóza) a celulózou jako kontrola.
Pro studium nutričních účinků rozpustných cukrů na larvy H. illucens byla celulóza (CEL) v krmivu pro kuřata nahrazena glukózou (GLU), fruktózou (FRU), galaktózou (GAL), maltózou (MAL), sacharózou (SUC) a laktóza (LAC). Monosacharidy a disacharidy však měly různé účinky na vývoj, přežití a složení larev HF. Například GLU, FRU a jejich disacharidové formy (MAL a SUC) vykazovaly pozitivní podpůrné účinky na růst larev, což jim umožnilo dosáhnout vyšší konečné tělesné hmotnosti než CEL. Na rozdíl od nestravitelných CEL mohou GLU, FRU a SUC obejít střevní bariéru a sloužit jako důležité zdroje živin ve formulované stravě16,28. MAL postrádá specifické živočišné transportéry a předpokládá se, že je před asimilací hydrolyzován na dvě molekuly glukózy15. Tyto molekuly jsou uloženy v těle hmyzu jako přímý zdroj energie nebo jako lipidy18. Za prvé, pokud jde o posledně uvedené, některé z pozorovaných intramodálních rozdílů mohou být způsobeny malými rozdíly v poměru pohlaví. U H. illucens může být reprodukce zcela spontánní: dospělé samice mají přirozeně dostatečné zásoby snůšky a jsou těžší než samci29. Akumulace lipidů v BSFL však koreluje s příjmem rozpustného CH2 v potravě, jak bylo dříve pozorováno u GLU a xylózy26,30. Například Li et al.30 pozorovali, že když bylo do krmiva pro larvy přidáno 8 % GLU, zvýšil se obsah lipidů u larev BSF o 7,78 % ve srovnání s kontrolami. Naše výsledky jsou v souladu s těmito pozorováními, které ukazují, že obsah tuku u larev krmených rozpustným cukrem byl vyšší než u larev krmených CEL dietou, ve srovnání s 8,57% nárůstem při suplementaci GLU. Překvapivě byly podobné výsledky pozorovány u larev krmených GAL a LAC, navzdory nepříznivým účinkům na růst larev, konečnou tělesnou hmotnost a přežití. Larvy krmené LAC byly významně menší než ty krmené CEL dietou, ale jejich obsah tuku byl srovnatelný s larvami krmenými jinými rozpustnými cukry. Tyto výsledky zdůrazňují antinutriční účinky laktózy na BSFL. Za prvé, strava obsahuje velké množství CH. Systémy absorpce a hydrolýzy monosacharidů a disacharidů mohou dosáhnout nasycení, což způsobí překážky v procesu asimilace. Pokud jde o hydrolýzu, provádějí ji α- a β-glukosidázy31. Tyto enzymy mají preferované substráty v závislosti na jejich velikosti a chemických vazbách (a nebo p vazby) mezi jejich složkami monosacharidů15. Hydrolýzu LAC na GLU a GAL provádí β-galaktosidáza, enzym, jehož aktivita byla prokázána ve střevě BSF32. Jeho exprese však může být nedostatečná ve srovnání s množstvím LAC spotřebovaným larvami. Naproti tomu a-glukosidáza maltáza a sacharáza 15, o kterých je známo, že jsou hojně exprimovány u hmyzu, jsou schopny rozložit velká množství MAL a sacharózy SUC, čímž omezují tento sytící účinek. Za druhé, antinutriční účinky mohou být způsobeny sníženou stimulací aktivity hmyzí střevní amylázy a zpomalením krmení ve srovnání s jinými způsoby léčby. Rozpustné cukry byly skutečně identifikovány jako stimulátory enzymové aktivity důležité pro trávení hmyzu, jako je amyláza, a jako spouštěče reakce na krmení33,34,35. Stupeň stimulace se liší v závislosti na molekulární struktuře cukru. Ve skutečnosti disacharidy vyžadují hydrolýzu před absorpcí a mají tendenci stimulovat amylázu více než jejich monosacharidy34. Na rozdíl od toho má LAC mírnější účinek a bylo zjištěno, že není schopen podporovat růst hmyzu u různých druhů33,35. Například u škůdce Spodoptera exigua (Boddie 1850) nebyla v extraktech enzymů středního střeva housenek detekována žádná hydrolytická aktivita LAC36.
Pokud jde o spektrum FA, naše výsledky naznačují významné modulační účinky testovaného CH. Je pozoruhodné, že ačkoli kyselina laurová (C12:0) představovala méně než 1 % z celkového množství FA ve stravě, dominovala ve všech profilech (viz doplňková tabulka S1). To je v souladu s předchozími údaji, že kyselina laurová je syntetizována z dietního CH v H. illucens cestou zahrnující acetyl-CoA karboxylázu a FA syntázu19,27,37. Naše výsledky potvrzují, že CEL je do značné míry nestravitelný a působí jako „objemové činidlo“ v kontrolních dietách BSF, jak je diskutováno v několika studiích BSFL38,39,40. Nahrazení CEL monosacharidy a disacharidy jinými než LAC zvýšilo poměr C12:0, což ukazuje na zvýšený příjem CH larvami. Je zajímavé, že disacharidy MAL a SUC podporují syntézu kyseliny laurové efektivněji než jejich monosacharidy, což naznačuje, že navzdory vyššímu stupni polymerace GLU a FRU a protože Drosophila je jediným přenašečem sacharózy, který byl identifikován u živočišných bílkovin, přenašeče disacharidů nemusí být přítomna ve střevě larev H. illucens15, využití GLU a FRU se zvyšuje. I když jsou GLU a FRU teoreticky snadněji metabolizovány BSF, jsou také snadněji metabolizovány substráty a střevními mikroorganismy, což může vést k jejich rychlejší degradaci a sníženému využití larvami ve srovnání s disacharidy.
Na první pohled byl obsah lipidů u larev krmených LAC a MAL srovnatelný, což ukazuje na podobnou biologickou dostupnost těchto cukrů. Překvapivě však byl profil FA LAC bohatší na SFA, zejména s nižším obsahem C12:0, ve srovnání s MAL. Jednou z hypotéz vysvětlujících tento rozdíl je, že LAC může stimulovat bioakumulaci FA z potravy prostřednictvím acetyl-CoA FA syntázy. Na podporu této hypotézy měly larvy LAC nejnižší poměr dekanoátu (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) než dieta CEL (1,27 ± 0,16 %), což ukazuje na snížené aktivity FA syntázy a thioesterázy19. Za druhé, mastné kyseliny z potravy jsou považovány za hlavní faktor ovlivňující složení SFA H. illucens27. V našich experimentech tvořila kyselina linolová (C18:2n6) 54,81 % mastných kyselin z potravy, přičemž podíl v larvách LAC byl 17,22 ± 0,46 % a v MAL 12,58 ± 0,67 %. Kyselina olejová (cis + trans C18:1n9) (23,22 % v potravě) vykazovala podobný trend. Poměr kyseliny α-linolenové (C18:3n3) rovněž podporuje hypotézu bioakumulace. Je známo, že tato mastná kyselina se akumuluje v BSFL po obohacení substrátu, jako je přidání koláče z lněného semene, až do 6-9 % celkových mastných kyselin v larvách19. V obohacené stravě může C18:3n3 tvořit až 35 % celkových dietních mastných kyselin. V naší studii však C18:3n3 představoval pouze 2,51 % profilu mastných kyselin. Přestože podíl nalezený v přírodě byl u našich larev nižší, tento podíl byl vyšší u larev LAC (0,87 ± 0,02 %) než u MAL (0,49 ± 0,04 %) (p < 0,001; viz doplňková tabulka S1). Dieta CEL měla střední podíl 0,72 ± 0,18 %. Konečně poměr kyseliny palmitové (C16:0) u larev CF odráží příspěvek syntetických cest a dietního FA19. Hoc a kol. 19 pozorovali, že syntéza C16:0 byla snížena, když byla strava obohacena o lněný šrot, což bylo přičítáno snížení dostupnosti substrátu acetyl-CoA v důsledku snížení poměru CH. Překvapivě, ačkoli obě diety měly podobný obsah CH a MAL vykazovaly vyšší biologickou dostupnost, larvy MAL vykazovaly nejnižší poměr C16:0 (10,46 ± 0,77 %), zatímco LAC vykazovaly vyšší podíl, představující 12,85 ± 0,27 % (p < 0,05; viz. Doplňková tabulka S1). Tyto výsledky zdůrazňují komplexní vliv živin na trávení a metabolismus BSFL. V současné době je výzkum na toto téma důkladnější u Lepidoptera než u Diptera. U housenek byl LAC identifikován jako slabý stimulant potravního chování ve srovnání s jinými rozpustnými cukry, jako jsou SUC a FRU34,35. Zejména u Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) konzumace MAL stimulovala amylolytickou aktivitu ve střevě ve větší míře než LAC34. Podobné účinky u BSFL mohou vysvětlit zvýšenou stimulaci syntetické dráhy C12:0 u larev MAL, která je spojena se zvýšenou intestinální absorbcí CH, prodlouženým krmením a působením střevní amylázy. Menší stimulace krmného rytmu v přítomnosti LAC může také vysvětlit pomalejší růst larev LAC. Navíc Liu Yanxia a kol. 27 poznamenal, že skladovatelnost lipidů v substrátech H. illucens byla delší než u CH. Proto se larvy LAC mohou více spoléhat na lipidy z potravy k dokončení svého vývoje, což může zvýšit jejich konečný obsah lipidů a modulovat jejich profil mastných kyselin.
Pokud je nám známo, pouze několik studií testovalo účinky přidání monosacharidů a disacharidů do stravy BSF na jejich profily FA. Za prvé, Li a kol. 30 hodnotili účinky GLU a xylózy a pozorovali hladiny lipidů podobné našim při 8% rychlosti přidávání. Profil FA nebyl podrobný a sestával hlavně z SFA, ale nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi těmito dvěma cukry, ani když byly prezentovány současně30. Kromě toho Cohn a kol. 41 neukázal žádný účinek přidání 20 % GLU, SUC, FRU a GAL do krmiva pro kuřata na příslušné profily FA. Tato spektra byla získána spíše z technických než biologických replikátů, což, jak vysvětlili autoři, může omezit statistickou analýzu. Kromě toho nedostatek kontroly isocukru (pomocí CEL) omezuje interpretaci výsledků. Nedávno byly provedeny dvě studie Nugroho RA et al. prokázaly anomálie ve spektrech FA42,43. V první studii Nugroho RA et al. 43 testovali účinek přidání FRU do fermentované moučky z palmových jader. Profil FA výsledných larev vykazoval abnormálně vysoké hladiny PUFA, z nichž více než 90 % pocházelo z potravy obsahující 10 % FRU (podobně jako v naší studii). Ačkoli tato strava obsahovala rybí pelety bohaté na PUFA, hlášené hodnoty profilu FA larev na kontrolní stravě sestávající ze 100% fermentovaného PCM nebyly v souladu s žádným dříve hlášeným profilem, zejména abnormální hladinou C18:3n3 17,77. ± 1,67 % a 26,08 ± 0,20 % pro konjugovanou kyselinu linolovou (C18:2n6t), vzácnou izomer kyseliny linolové. Druhá studie ukázala podobné výsledky včetně FRU, GLU, MAL a SUC42 ve fermentované mouce z palmových jader. Tyto studie, stejně jako naše, zdůrazňují vážné potíže při srovnávání výsledků pokusů s krmivem pro larvy BSF, jako je výběr kontroly, interakce s jinými zdroji živin a metody analýzy FA.
Během experimentů jsme pozorovali, že barva a vůně substrátu se lišily v závislosti na použité stravě. To naznačuje, že mikroorganismy mohou hrát roli ve výsledcích pozorovaných v substrátu a trávicím systému larev. Ve skutečnosti jsou monosacharidy a disacharidy snadno metabolizovány kolonizujícími mikroorganismy. Rychlá konzumace rozpustných cukrů mikroorganismy může vést k uvolnění velkého množství mikrobiálních metabolických produktů, jako je ethanol, kyselina mléčná, mastné kyseliny s krátkým řetězcem (např. kyselina octová, kyselina propionová, kyselina máselná) a oxid uhličitý44. Některé z těchto sloučenin mohou být zodpovědné za smrtelné toxické účinky na larvy, které také pozorovali Cohn et al.41 za podobných vývojových podmínek. Například etanol je škodlivý pro hmyz45. Velké množství emisí oxidu uhličitého může vést k jeho akumulaci na dně nádrže, což může ochudit atmosféru o kyslík, pokud cirkulace vzduchu neumožňuje jeho uvolňování. Pokud jde o SCFA, jejich účinky na hmyz, zejména H. illucens, zůstávají špatně pochopeny, ačkoli se ukázalo, že kyselina mléčná, propionová a máselná jsou u Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775) smrtelné46. U Drosophila melanogaster Meigen 1830 jsou tyto SCFA čichové markery, které navádějí samice na místa vajíček, což naznačuje prospěšnou roli ve vývoji larev47. Kyselina octová je však klasifikována jako nebezpečná látka a může významně inhibovat vývoj larev47. Na rozdíl od toho bylo nedávno zjištěno, že mikrobiálně získaný laktát má ochranný účinek proti invazivním střevním mikrobům u Drosophila48. Kromě toho hrají roli při trávení CH u hmyzu také mikroorganismy v trávicím systému49. Fyziologické účinky SCFA na střevní mikroflóru, jako je rychlost výživy a genová exprese, byly popsány u obratlovců 50 . Mohou mít také trofický účinek na larvy H. illucens a mohou částečně přispívat k regulaci profilů FA. Studie o nutričních účincích těchto produktů mikrobiální fermentace objasní jejich účinky na výživu H. illucens a poskytnou základ pro budoucí studie o prospěšných nebo škodlivých mikroorganismech z hlediska jejich vývoje a hodnoty substrátů bohatých na FA. V tomto ohledu je stále více studována úloha mikroorganismů v trávicích procesech hromadně chovaného hmyzu. Na hmyz se začíná pohlížet jako na bioreaktory poskytující podmínky pH a okysličení, které usnadňují vývoj mikroorganismů specializovaných na degradaci nebo detoxikaci živin, které jsou pro hmyz obtížně stravitelné 51 . Nedávno Xiang et al.52 prokázali, že například inokulace organického odpadu bakteriální směsí umožňuje CF přitahovat bakterie specializované na degradaci lignocelulózy, čímž se zlepšuje její degradace v substrátu ve srovnání se substráty bez larev.
Konečně, s ohledem na prospěšné využití organického odpadu H. illucens, CEL a SUC diety produkovaly nejvyšší počet larev za den. To znamená, že i přes nižší konečnou hmotnost jednotlivých jedinců je celková hmotnost larev produkovaná na substrátu sestávajícím z nestravitelného CH srovnatelná s tou získanou na homosacharidové dietě obsahující monosacharidy a disacharidy. V naší studii je důležité poznamenat, že hladiny ostatních živin jsou dostatečné pro podporu růstu populace larev a že přídavek CEL by měl být omezen. Konečné složení larev se však liší, což zdůrazňuje důležitost výběru správné strategie pro zhodnocení hmyzu. Larvy CEL krmené kompletním krmivem jsou vhodnější pro použití jako krmivo pro zvířata kvůli jejich nižšímu obsahu tuku a nižším hladinám kyseliny laurové, zatímco larvy krmené stravou SUC nebo MAL vyžadují odtučnění lisováním, aby se zvýšila hodnota oleje, zejména v biopalive sektor. LAC se nachází ve vedlejších produktech mléčného průmyslu, jako je syrovátka z výroby sýra. Nedávno jeho použití (3,5 % laktózy) zlepšilo konečnou tělesnou hmotnost larev53. Kontrolní dieta v této studii však obsahovala poloviční obsah lipidů. Antinutriční účinky LAC proto mohly být potlačeny bioakumulací lipidů v potravě larev.
Jak ukázaly předchozí studie, vlastnosti monosacharidů a disacharidů významně ovlivňují růst BSFL a modulují jeho profil FA. Zejména se zdá, že LAC hraje antinutriční roli během vývoje larev tím, že omezuje dostupnost CH pro absorpci lipidů ve stravě, čímž podporuje bioakumulaci UFA. V této souvislosti by bylo zajímavé provádět biologické testy s použitím diet kombinující PUFA a LAC. Kromě toho zůstává úloha mikroorganismů, zejména úloha mikrobiálních metabolitů (jako jsou SCFA) pocházejících z procesů fermentace cukru, výzkumným tématem hodným zkoumání.
Hmyz byl získán z BSF kolonie Laboratoře funkční a evoluční entomologie založené v roce 2017 v Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgie (více podrobností o metodách chovu viz Hoc et al. 19). Pro experimentální zkoušky byly 2,0 g vajec BSF náhodně odebírány denně z chovných klecí a inkubovány ve 2,0 kg 70% vlhkého krmiva pro kuřata (Aveve, Leuven, Belgie). Pět dní po vylíhnutí byly larvy odděleny od substrátu a ručně spočítány pro experimentální účely. Byla změřena počáteční hmotnost každé šarže. Průměrná individuální hmotnost byla 7,125 ± 0,41 mg a průměr pro každou léčbu je uveden v doplňkové tabulce S2.
Formulace stravy byla upravena ze studie Barragan-Fonseca et al. 38. Stručně řečeno, byl nalezen kompromis mezi stejnou kvalitou krmiva pro larvální kuřata, podobným obsahem sušiny (DM), vysokým CH (10 % na základě čerstvé stravy) a texturou, protože jednoduché cukry a disacharidy nemají žádné texturní vlastnosti. Podle informací výrobce (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgie) byl testovaný CH (tj. rozpustný cukr) přidáván samostatně jako autoklávovaný vodný roztok (15,9 %) do stravy skládající se z 16,0 % bílkovin, 5,0 % celkových lipidů, 11,9 % mletého krmiva pro kuřata skládající se z popela a 4,8 % vlákniny. V každé nádobě o objemu 750 ml (17,20 × 11,50 × 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgie) bylo smícháno 101,9 g autoklávovaného CH roztoku s 37,8 g kuřecího krmiva. Pro každou dietu byl obsah sušiny 37,0 %, včetně homogenního proteinu (11,7 %), homogenních lipidů (3,7 %) a homogenních cukrů (26,9 % přidaného CH). Testovanými CH byly glukóza (GLU), fruktóza (FRU), galaktóza (GAL), maltóza (MAL), sacharóza (SUC) a laktóza (LAC). Kontrolní strava sestávala z celulózy (CEL), která je považována za nestravitelnou pro larvy H. illucens38. Sto 5denních larev bylo umístěno do podnosu opatřeného víkem s otvorem o průměru 1 cm uprostřed a zakryto plastovou moskytiérou. Každá dieta se opakovala čtyřikrát.
Hmotnosti larev byly měřeny tři dny po začátku experimentu. Pro každé měření bylo ze substrátu odstraněno 20 larev pomocí sterilní teplé vody a kleští, vysušeny a zváženy (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, USA). Po zvážení byly larvy vráceny do středu substrátu. Měření byla prováděna pravidelně třikrát týdně, dokud se neobjevila první prepupa. V tomto okamžiku seberte, spočítejte a zvažte všechny larvy, jak bylo popsáno výše. Oddělte larvy stádia 6 (tj. bílé larvy odpovídající larválnímu stádiu předcházejícímu předkuklímu stádiu) a předkukly (tj. poslední larvální stádium, během kterého larvy BSF zčernají, přestanou se krmit a hledají prostředí vhodné pro metamorfózu) a skladujte na - 18 °C pro analýzu složení. Výtěžek byl vypočítán jako poměr celkové hmotnosti hmyzu (larvy a prekuli stupně 6) získané na misku (g) k době vývoje (d). Všechny průměrné hodnoty v textu jsou vyjádřeny jako: průměr ± SD.
Všechny následné kroky s použitím rozpouštědel (hexan (Hex), chloroform (CHCl3), methanol (MeOH)) byly prováděny pod digestoří a vyžadovaly použití nitrilových rukavic, zástěry a ochranných brýlí.
Bílé larvy byly sušeny v mrazicí sušárně FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, USA) po dobu 72 hodin a poté rozemlety (IKA A10, Staufen, Německo). Celkové lipidy byly extrahovány z ±1 g prášku za použití Folchovy metody 54. Obsah zbytkové vlhkosti každého lyofilizovaného vzorku byl stanoven duplicitně pomocí analyzátoru vlhkosti (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Německo) pro korekci na celkové lipidy.
Celkové lipidy byly transesterifikovány za kyselých podmínek, aby se získaly methylestery mastných kyselin. Stručně, přibližně 10 mg lipidů/100 ul roztoku CHCI3 (100 ul) bylo odpařeno s dusíkem v 8ml zkumavce Pyrex© (SciLabware – DWK Life Sciences, Londýn, UK). Zkumavka byla umístěna do Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Hexane > 95 % pro organickou stopovou analýzu, VWR Chemicals, Radnor, PA, USA) a Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) roztoku (0,5 ml) ve vodní lázni při 70 °C po dobu 90 min. Po ochlazení byl přidán 10% vodný roztok H2S04 (0,2 ml) a nasycený roztok NaCl (0,5 ml). Zkumavku promíchejte a naplňte směs čistým Hex (8,0 ml). Část horní fáze byla přenesena do lahvičky a analyzována plynovou chromatografií s plamenovým ionizačním detektorem (GC-FID). Vzorky byly analyzovány pomocí zařízení Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) vybaveného split/splitless injektorem (240 °C) v děleném režimu (rozdělený průtok: 10 ml/min), kolonou Stabilwax®-DA ( 30 m, 0,25 mm id, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, USA) a FID (250 °C). Teplotní program byl nastaven následovně: 50 °C po dobu 1 minuty, zvýšení na 150 °C při 30 °C/min, zvýšení na 240 °C při 4 °C/min a pokračování při 240 °C po dobu 5 minut. Hex byl použit jako blank a pro identifikaci byl použit referenční standard obsahující 37 methylesterů mastných kyselin (Supelco 37-komponentní FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgie). Identifikace nenasycených mastných kyselin (UFA) byla potvrzena komplexní dvourozměrnou GC (GC×GC-FID) a přítomnost izomerů byla přesně stanovena mírnou adaptací metody Ferrara et al. 55. Podrobnosti o přístroji lze nalézt v doplňkové tabulce S3 a výsledky v doplňkovém obrázku S5.
Data jsou prezentována ve formátu tabulky Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Statistická analýza byla provedena pomocí R Studio (verze 2023.12.1+402, Boston, USA)56. Údaje o hmotnosti larev, době vývoje a produktivitě byly odhadnuty pomocí lineárního modelu (LM) (příkaz „lm“, R balíček „stats“ 56 ), protože odpovídaly Gaussově distribuci. Míry přežití pomocí analýzy binomického modelu byly odhadnuty pomocí obecného lineárního modelu (GLM) (příkaz „glm“, R balíček „lme4“57). Normalita a homoskedasticita byly potvrzeny pomocí Shapiro testu (příkaz „shapiro.test“, R balíček „stats“ 56 ) a analýzy rozptylu dat (příkaz betadisper, R balíček „vegan“ 58 ). Po párové analýze signifikantních p-hodnot (p < 0,05) z LM nebo GLM testu byly zjištěny signifikantní rozdíly mezi skupinami pomocí EMM testu (příkaz „emmeans“, R balíček „emmeans“ 59).
Kompletní FA spektra byla porovnána pomocí multivariační permutační analýzy rozptylu (tj. permMANOVA; příkaz „adonis2“, R package „vegan“ 58) pomocí euklidovské matice vzdálenosti a 999 permutací. To pomáhá identifikovat mastné kyseliny, které jsou ovlivněny povahou sacharidů ve stravě. Významné rozdíly v profilech FA byly dále analyzovány pomocí párového srovnání. Data byla poté vizualizována pomocí analýzy hlavních komponent (PCA) (příkaz „PCA“, balíček R „FactoMineR“ 60). FA odpovědná za tyto rozdíly byla identifikována interpretací korelačních kruhů. Tito kandidáti byli potvrzeni pomocí jednosměrné analýzy rozptylu (ANOVA) (příkaz „aov“, R balíček „stats“ 56 ), po kterém následoval Tukeyho post hoc test (příkaz TukeyHSD, R balíček „stats“ 56 ). Před analýzou byla normalita hodnocena pomocí Shapiro-Wilkova testu, homoskedasticita byla kontrolována pomocí Bartlettova testu (příkaz „bartlett.test“, R package „stats“ 56) a pokud nebyl splněn ani jeden z těchto dvou předpokladů, byla použita neparametrická metoda. . Analýzy byly porovnány (příkaz „kruskal.test“, R balíček „stats“ 56 ) a poté byly aplikovány Dunnovy post hoc testy (příkaz dunn.test, R balíček „dunn.test“ 56 ).
Konečná verze rukopisu byla zkontrolována pomocí Grammarly Editoru jako anglického korektora (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornie, USA) 61 .
Soubory dat generované a analyzované během aktuální studie jsou k dispozici od odpovídajícího autora na přiměřenou žádost.
Kim, SW, a kol. Uspokojení celosvětové poptávky po krmných bílkovinách: výzvy, příležitosti a strategie. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., a kol. Přehled stavu a perspektiv světové produkce jedlého hmyzu. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, a kol. Černá moucha (Hermetia illucens) jako potenciálně inovativní a ekologický nástroj pro nakládání s organickým odpadem: Stručný přehled. Výzkum odpadového hospodářství 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Odchovný substrát ovlivňuje růst a stav makroživin průmyslově vyráběných larev mouchy černého. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, a kol. Antimikrobiální vlastnosti olejových extraktů z larev černé mouchy chovaných na strouhance. Animal Food Science, 64, (2024).
Schmitt, E. a de Vries, W. (2020). Potenciální výhody používání hnoje černého vojáka jako úpravy půdy pro produkci potravin a snížení dopadu na životní prostředí. Aktuální názor. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. a kol. Lipidy černého vojáka – inovativní a udržitelný zdroj. Udržitelný rozvoj, sv. 13, (2021).
Van Huis, A. Hmyz jako potravina a krmivo, nově vznikající obor v zemědělství: přehled. J. Insect Feed 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M. a Beganovsky, A. Různá použití černého vojáka létat v průmyslu a zemědělství – přehled. Biologie 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. a Caparros Megido, R. Optimalizace umělého množení Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Čas odeslání: 25. prosince 2024