Hvala, ker ste obiskali Nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljše rezultate priporočamo uporabo novejšega brskalnika (ali onemogočanje načina združljivosti v Internet Explorerju). Da bi zagotovili nadaljnjo podporo, bomo medtem stran prikazali brez slogov in JavaScripta.
Črna vojaška muha (Hermetia illucens, L. 1758) je vsejeda detritivorna žuželka z velikim potencialom za izkoriščanje z ogljikovimi hidrati bogatih organskih stranskih produktov. Med ogljikovimi hidrati se črne vojaške muhe za rast in sintezo lipidov zanašajo na topne sladkorje. Namen te študije je bil ovrednotiti učinke običajnih topnih sladkorjev na razvoj, preživetje in profil maščobnih kislin črnih muh. Krmo za piščance dopolnite ločeno z monosaharidi in disaharidi. Kot kontrolo smo uporabili celulozo. Ličinke, hranjene z glukozo, fruktozo, saharozo in maltozo, so rasle hitreje kot kontrolne ličinke. Nasprotno pa je imela laktoza antinutritivni učinek na ličinke, upočasnila je rast in zmanjšala končno telesno težo posameznika. Vendar pa so ličinke zaradi vseh topnih sladkorjev postale debelejše od tistih, ki so bile hranjene s kontrolno hrano. Predvsem so testirani sladkorji oblikovali profil maščobnih kislin. Maltoza in saharoza sta povečali vsebnost nasičenih maščobnih kislin v primerjavi s celulozo. Nasprotno pa je laktoza povečala bioakumulacijo prehranskih nenasičenih maščobnih kislin. Ta študija je prva, ki je pokazala učinek topnega sladkorja na sestavo maščobnih kislin ličink črne vojaške muhe. Naši rezultati kažejo, da imajo preizkušeni ogljikovi hidrati pomemben vpliv na sestavo maščobnih kislin ličink črne vojaške muhe in lahko zato določijo njihovo končno uporabo.
Svetovno povpraševanje po energiji in živalskih beljakovinah še naprej narašča1. V kontekstu globalnega segrevanja je nujno najti okolju prijaznejše alternative fosilni energiji in tradicionalnim metodam pridelave hrane ob povečanju proizvodnje. Žuželke so obetavni kandidati za reševanje teh vprašanj zaradi njihove nižje kemične sestave in vpliva na okolje v primerjavi s tradicionalno živinorejo2. Med žuželkami je odličen kandidat za reševanje teh vprašanj črna vojaška muha (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), detritivorna vrsta, ki se lahko prehranjuje z različnimi organskimi substrati3. Zato bi valorizacija teh substratov z vzrejo BSF lahko ustvarila nov vir surovin za zadovoljevanje potreb različnih industrij.
Ličinke BSF (BSFL) se lahko prehranjujejo s kmetijskimi in kmetijsko-industrijskimi stranskimi proizvodi, kot so pivovarsko zrnje, rastlinski ostanki, sadna pulpa in star kruh, ki so še posebej primerni za rast BSFL zaradi visoke vsebnosti ogljikovih hidratov (CH)4,5, 6 vsebina. Obsežna proizvodnja BSFL povzroči nastanek dveh produktov: iztrebkov, mešanice ostankov substrata in iztrebkov, ki se lahko uporabljajo kot gnojilo za gojenje rastlin7, in ličink, ki so v glavnem sestavljene iz beljakovin, lipidov in hitina. Beljakovine in lipidi se uporabljajo predvsem v živinoreji, biogorivu in kozmetiki8,9. Kar zadeva hitin, se ta biopolimer uporablja v kmetijsko-živilskem sektorju, biotehnologiji in zdravstvenem varstvu10.
BSF je avtogena holometabolična žuželka, kar pomeni, da sta lahko njegova metamorfoza in razmnoževanje, zlasti faze življenjskega cikla žuželke, ki porabljajo energijo, v celoti podprta z zalogami hranil, ki nastanejo med rastjo ličink11. Natančneje, sinteza beljakovin in lipidov vodi do razvoja maščobnega telesa, pomembnega organa za shranjevanje, ki sprošča energijo v fazah nehranjenja BSF: predpupa (tj. končna faza ličinke, v kateri ličinke BSF postanejo črne med hranjenjem in iskanjem za okolje, primerno za metamorfozo), lutke (tj. negibljiva faza, med katero je žuželka podvržena metamorfozi) in odrasli12,13. CH je glavni vir energije v prehrani BSF14. Med temi hranili vlaknatih CH, kot so hemiceluloza, celuloza in lignin, za razliko od disaharidov in polisaharidov (kot je škrob), BSFL ne more prebaviti 15,16. Prebava CH je pomemben predhodni korak za absorpcijo ogljikovih hidratov, ki se na koncu hidrolizirajo v enostavne sladkorje v črevesju16. Enostavni sladkorji se nato lahko absorbirajo (tj. skozi črevesno peritrofično membrano) in presnavljajo za proizvodnjo energije17. Kot je navedeno zgoraj, ličinke shranjujejo odvečno energijo kot lipide v maščobnem telesu 12,18. Lipidi za shranjevanje so sestavljeni iz trigliceridov (nevtralni lipidi, tvorjeni iz ene molekule glicerola in treh maščobnih kislin), ki jih sintetizirajo ličinke iz prehranskih enostavnih sladkorjev. Ti CH zagotavljajo substrate acetil-CoA, potrebne za biosintezo maščobnih kislin (FA) preko poti sintaze maščobnih kislin in tioesteraze19. V profilu maščobnih kislin lipidov H. illucens naravno prevladujejo nasičene maščobne kisline (SFA) z visokim deležem lavrinske kisline (C12:0)19,20. Zato visoka vsebnost lipidov in sestava maščobnih kislin hitro postajata omejujoča dejavnika za uporabo celih ličink v živalski krmi, zlasti v ribogojstvu, kjer so potrebne polinenasičene maščobne kisline (PUFA)21.
Od odkritja potenciala BSFL za zmanjšanje organskih odpadkov so študije o vrednosti različnih stranskih proizvodov pokazale, da je sestava BSFL delno regulirana z njegovo prehrano. Trenutno se ureditev profila FA H. illucens še naprej izboljšuje. Sposobnost BSFL, da bioakumulira PUFA, je bila dokazana na substratih, bogatih s PUFA, kot so alge, ribji odpadki ali moke, kot je laneno seme, kar zagotavlja profil FA višje kakovosti za prehrano živali 19, 22, 23. Nasprotno pa pri stranskih proizvodih, ki niso obogateni s PUFA, ni vedno korelacije med prehranskimi profili FA in FA ličink, kar kaže na vpliv drugih hranil 24, 25. Pravzaprav je učinek prebavljivega CH na profile FA še vedno slabo razumljen in premalo raziskan 24, 25, 26, 27.
Kolikor nam je znano, čeprav je skupnih monosaharidov in disaharidov v prehrani H. illucens veliko, njihova prehranska vloga ostaja slabo razumljena v prehrani H. illucens. Namen te študije je bil razjasniti njihove učinke na prehrano in lipidno sestavo BSFL. Ocenjevali bomo rast, preživetje in produktivnost ličink v različnih prehranskih pogojih. Nato bomo opisali vsebnost lipidov in profil maščobnih kislin vsake diete, da bi poudarili učinke CH na prehransko kakovost BSFL.
Domnevali smo, da bi narava testiranega CH vplivala na (1) rast ličink, (2) skupne ravni lipidov in (3) modulacijo profila FA. Monosaharidi se lahko neposredno absorbirajo, disaharidi pa morajo biti hidrolizirani. Monosaharidi so tako bolj dostopni kot neposredni viri energije ali prekurzorji za lipogenezo preko poti FA sintaze in tioesteraze, s čimer povečajo rast ličink H. illucens in spodbujajo kopičenje rezervnih lipidov (zlasti lavrinske kisline).
Testirana CH je vplivala na povprečno telesno težo ličink med rastjo (slika 1). FRU, GLU, SUC in MAL so povečali telesno težo ličink podobno kot kontrolna dieta (CEL). V nasprotju s tem se zdi, da LAC in GAL zavirata razvoj ličink. Predvsem LAC je imel pomemben negativen učinek na rast ličink v primerjavi s SUC v celotnem obdobju rasti: 9,16 ± 1,10 mg v primerjavi s 15,00 ± 1,01 mg 3. dan (F6,21 = 12,77, p < 0,001; slika 1), 125,11 ± 4,26 mg in 211,79 ± 14,93 mg oziroma 17. dan (F6,21 = 38,57, p < 0,001; slika 1).
Uporaba različnih monosaharidov (fruktoze (FRU), galaktoze (GAL), glukoze (GLU)), disaharidov (laktoze (LAC), maltoze (MAL), saharoze (SUC)) in celuloze (CEL) kot kontrol. Rast ličink, hranjenih z ličinkami črne vojniške muhe. Vsaka točka na krivulji predstavlja povprečno posamezno težo (mg), izračunano s tehtanjem 20 naključno izbranih ličink iz populacije 100 ličink (n = 4). Vrstice napak predstavljajo SD.
Prehrana CEL je zagotovila odlično preživetje ličink 95,5 ± 3,8 %. Poleg tega se je zmanjšalo preživetje H. illucens, hranjenih s hrano, ki je vsebovala topni CH (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), kar sta povzročila MAL in SUC (disaharidi) v proučevanem CH. Umrljivost je bila nižja kot pri GLU, FRU, GAL (monosaharidu) in LAC (EMM: p < 0,001, slika 2).
Okvirni prikaz preživetja ličink črne vojaške muhe, obdelanih z različnimi monosaharidi (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidi (laktoza, maltoza, saharoza) in celulozo kot kontrolami. Zdravljenja z isto črko se med seboj bistveno ne razlikujejo (EMM, p > 0,05).
Vse testirane diete so omogočile, da so ličinke dosegle predkučno fazo. Vendar pa so testirani CH-ji ponavadi podaljšali razvoj ličink (F6,21=9,60, p<0,001; tabela 1). Zlasti ličinke, hranjene z GAL in LAC, so potrebovale dlje časa, da so dosegle predpupalno fazo v primerjavi z ličinkami, vzrejenimi na CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; tabela 1).
Testirana CH je imela tudi različne učinke na telesno težo ličink, pri čemer je telesna teža ličink, hranjenih s hrano CEL, dosegla 180,19 ± 11,35 mg (F6,21 = 16,86, p < 0,001; slika 3). FRU, GLU, MAL in SUC so povzročili povprečno končno telesno težo ličink več kot 200 mg, kar je bilo bistveno višje od tiste pri CEL (p <0,05). Nasprotno pa so imele ličinke, hranjene z GAL in LAC, manjšo telesno težo, v povprečju 177,64 ± 4,23 mg oziroma 156,30 ± 2,59 mg (p <0,05). Ta učinek je bil bolj izrazit pri LAC, kjer je bila končna telesna teža nižja kot pri kontrolni dieti (CEL-LAC: razlika = 23,89 mg; p = 0,03; slika 3).
Povprečna končna teža posameznih ličink, izražena kot ličinke (mg) in črnih vojaških muh, izražena kot histogram (g), hranjenih z različnimi monosaharidi (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidi (laktoza, maltoza, saharoza) in celulozo (kot kontrola). Stebričaste črke predstavljajo skupine, ki se pomembno razlikujejo po skupni masi ličink (p < 0,001). Črke, povezane z larvalnimi pegami, predstavljajo skupine s pomembno različno težo posameznih ličink (p <0,001). Vrstice napak predstavljajo SD.
Največja posamezna teža je bila neodvisna od največje končne skupne mase kolonije ličink. Dejansko diete, ki vsebujejo FRU, GLU, MAL in SUC, niso povečale skupne teže ličink, proizvedenih v rezervoarju, v primerjavi s CEL (slika 3). Vendar je LAC pomembno zmanjšal skupno težo (CEL-LAC: razlika = 9,14 g; p < 0,001; slika 3).
Tabela 1 prikazuje donos (ličinke/dan). Zanimivo je, da so bili optimalni donosi CEL, MAL in SUC podobni (tabela 1). V nasprotju s tem so FRU, GAL, GLU in LAC zmanjšali donos v primerjavi s CEL (tabela 1). Najslabše sta se odrezala GAL in LAC: pridelek se je prepolovil na le 0,51 ± 0,09 g ličink/dan oziroma 0,48 ± 0,06 g ličink/dan (tabela 1).
Monosaharidi in disaharidi so povečali vsebnost lipidov v ličinkah CF (tabela 1). Na dieti CLE so bile pridobljene ličinke z vsebnostjo lipidov 23,19 ± 0,70 % vsebnosti suhe snovi. Za primerjavo, povprečna vsebnost lipidov v ličinkah, hranjenih s topnim sladkorjem, je bila več kot 30% (tabela 1). Vendar pa so testirani CH v enaki meri povečali vsebnost maščobe.
Kot je bilo pričakovano, so subjekti CG v različnih stopnjah vplivali na FA profil ličink (slika 4). Vsebnost SFA je bila v vseh dietah visoka in je dosegla več kot 60 %. MAL in SUC sta povzročila neuravnoteženost profila FA, kar je povzročilo povečanje vsebnosti SFA. V primeru MAL je na eni strani to neravnovesje povzročilo predvsem zmanjšanje vsebnosti mononenasičenih maščobnih kislin (MUFA) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; slika 4). Po drugi strani pa je bilo zmanjšanje za SUC bolj enakomerno med MUFA in PUFA. LAC in MAL sta imela nasprotne učinke na spekter 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; Slika 4). Zdi se, da manjši delež SFA v ličinkah, hranjenih z LAC, poveča vsebnost MUFA. Ravni MUFA so bile zlasti višje pri ličinkah, hranjenih z LAC, v primerjavi z drugimi topnimi sladkorji, razen za GAL (F6,21 = 7,47; p <0,001; Slika 4).
Z uporabo različnih monosaharidov (fruktoze (FRU), galaktoze (GAL), glukoze (GLU)), disaharidov (laktoze (LAC), maltoze (MAL), saharoze (SUC)) in celuloze (CEL) kot kontrol, škatlasti prikaz maščobnih kislin sestava, ki se hrani z ličinkami črne vojniške muhe. Rezultati so izraženi kot odstotek skupne FAME. Zdravljenja, označena z različnimi črkami, se pomembno razlikujejo (p < 0,001). (a) Delež nasičenih maščobnih kislin; (b) enkrat nenasičene maščobne kisline; (c) večkrat nenasičene maščobne kisline.
Med identificiranimi maščobnimi kislinami je v vseh opazovanih spektrih (več kot 40 %) prevladovala lavrinska kislina (C12:0). Druge prisotne SFA so bile palmitinska kislina (C16:0) (manj kot 10 %), stearinska kislina (C18:0) (manj kot 2,5 %) in kaprinska kislina (C10:0) (manj kot 1,5 %). MUFA je v glavnem predstavljala oleinska kislina (C18: 1n9) (manj kot 9, 5%), medtem ko so bile PUFA sestavljene predvsem iz linolne kisline (C18: 2n6) (manj kot 13, 0%) (glejte dodatno tabelo S1). Poleg tega majhnega deleža spojin ni bilo mogoče identificirati, zlasti v spektrih ličink CEL, kjer je neidentificirana spojina številka 9 (UND9) v povprečju predstavljala 2,46 ± 0,52 % (glejte dodatno tabelo S1). Analiza GC × GC-FID je pokazala, da bi lahko šlo za 20-ogljikovo maščobno kislino s petimi ali šestimi dvojnimi vezmi (glej dodatno sliko S5).
Analiza PERMANOVA je razkrila tri različne skupine na podlagi profilov maščobnih kislin (F6,21 = 7,79, p < 0,001; slika 5). Analiza glavnih komponent (PCA) spektra TBC to ponazarja in je razložena z dvema komponentama (slika 5). Glavne komponente so pojasnile 57,9 % variance in so po pomembnosti vključevale lavrinsko kislino (C12:0), oleinsko kislino (C18:1n9), palmitinsko kislino (C16:0), stearinsko kislino (C18:0) in linolenska kislina (C18:3n3) (glej sliko S4). Druga komponenta je pojasnila 26,3 % variance in je po pomembnosti vključevala dekanojsko kislino (C10:0) in linolno kislino (C18:2n6 cis) (glej dodatno sliko S4). Profili diet, ki vsebujejo enostavne sladkorje (FRU, GAL in GLU), so pokazali podobne značilnosti. Nasprotno pa so disaharidi dali različne profile: MAL in SUC na eni strani ter LAC na drugi strani. Zlasti MAL je bil edini sladkor, ki je spremenil profil FA v primerjavi s CEL. Poleg tega se je profil MAL bistveno razlikoval od profilov FRU in GLU. Zlasti profil MAL je pokazal največji delež C12:0 (54,59 ± 2,17 %), zaradi česar je primerljiv s CEL (43,10 ± 5,01 %), LAC (43,35 ± 1,31 %), FRU (48,90 ± 1,97 %) in Profili GLU (48,38 ± 2,17 %) (glejte dodatno tabelo S1). Spekter MAL je pokazal tudi najnižjo vsebnost C18:1n9 (9,52 ± 0,50 %), kar ga je dodatno razlikovalo od spektra LAC (12,86 ± 0,52 %) in CEL (12,40 ± 1,31 %). Podoben trend je bil opažen pri C16:0. V drugi komponenti je LAC spekter pokazal najvišjo vsebnost C18:2n6 (17,22 ± 0,46 %), MAL pa najmanjšo (12,58 ± 0,67 %). C18: 2n6 je tudi razlikoval LAC od kontrole (CEL), ki je pokazal nižje ravni (13,41 ± 2,48%) (glejte dodatno tabelo S1).
PCA graf profila maščobnih kislin ličink črne vojaške muhe z različnimi monosaharidi (fruktoza, galaktoza, glukoza), disaharidi (laktoza, maltoza, saharoza) in celulozo kot kontrolo.
Da bi preučili prehranske učinke topnih sladkorjev na ličinke H. illucens, smo celulozo (CEL) v krmi za piščance nadomestili z glukozo (GLU), fruktozo (FRU), galaktozo (GAL), maltozo (MAL), saharozo (SUC) in laktoza (LAC). Vendar so imeli monosaharidi in disaharidi različne učinke na razvoj, preživetje in sestavo ličink HF. Na primer, GLU, FRU in njihove disaharidne oblike (MAL in SUC) so imele pozitivne podporne učinke na rast ličink, kar jim je omogočilo doseganje višje končne telesne teže kot CEL. Za razliko od neprebavljivih CEL lahko GLU, FRU in SUC zaobidejo črevesno pregrado in služijo kot pomemben vir hranil v formuliranih dietah16,28. MAL nima specifičnih živalskih prenašalcev in naj bi bil pred asimilacijo hidroliziran v dve molekuli glukoze15. Te molekule so shranjene v telesu žuželk kot neposreden vir energije ali kot lipidi18. Prvič, kar zadeva slednje, so lahko nekatere od opaženih intramodalnih razlik posledica majhnih razlik v razmerjih med spoloma. Dejansko je lahko pri H. illucens razmnoževanje popolnoma spontano: odrasle samice imajo naravno zadostne rezerve za odlaganje jajčec in so težje od samcev29. Vendar pa kopičenje lipidov v BSFL korelira z vnosom CH2, topnega s hrano, kot smo že opazili za GLU in ksilozo 26,30. Na primer, Li in sod.30 so opazili, da se je vsebnost lipidov v ličinkah BSF povečala za 7,78 % v primerjavi s kontrolami, ko je bilo dodanih 8 % GLU k prehrani ličink. Naši rezultati so skladni s temi opažanji in kažejo, da je bila vsebnost maščobe v ličinkah, hranjenih s topnim sladkorjem, višja kot pri ličinkah, hranjenih s prehrano CEL, v primerjavi z 8,57-odstotnim povečanjem z dodatkom GLU. Presenetljivo so bili podobni rezultati opaženi pri ličinkah, hranjenih z GAL in LAC, kljub škodljivim učinkom na rast ličink, končno telesno težo in preživetje. Ličinke, hranjene z LAC, so bile znatno manjše od tistih, hranjenih s prehrano CEL, vendar je bila njihova vsebnost maščobe primerljiva z ličinkami, hranjenimi z drugimi topnimi sladkorji. Ti rezultati poudarjajo antinutritivne učinke laktoze na BSFL. Prvič, prehrana vsebuje veliko količino CH. Sistemi absorpcije in hidrolize monosaharidov oziroma disaharidov lahko dosežejo nasičenost, kar povzroči ozka grla v procesu asimilacije. Kar zadeva hidrolizo, jo izvajajo α- in β-glukozidaze 31 . Ti encimi imajo prednostne substrate glede na njihovo velikost in kemične vezi (povezave α ali β) med njihovimi sestavnimi monosaharidi 15 . Hidrolizo LAC v GLU in GAL izvaja β-galaktozidaza, encim, katerega aktivnost je bila dokazana v črevesju BSF 32 . Vendar je lahko njegovo izražanje nezadostno v primerjavi s količino LAC, ki jo zaužijejo ličinke. Nasprotno pa lahko α-glukozidaza maltaza in saharoza 15, za kateri je znano, da sta v žuželkah obilno izraženi, razgradita velike količine MAL in saharoze SUC, s čimer omejita ta učinek nasičenja. Drugič, antinutritivni učinki so lahko posledica zmanjšane stimulacije aktivnosti črevesne amilaze žuželk in upočasnitve prehranjevanja v primerjavi z drugimi zdravljenji. Dejansko so bili topni sladkorji identificirani kot stimulatorji encimske aktivnosti, pomembne za prebavo žuželk, kot je amilaza, in kot sprožilci odziva na hranjenje 33, 34, 35. Stopnja stimulacije je odvisna od molekularne strukture sladkorja. Pravzaprav disaharidi zahtevajo hidrolizo pred absorpcijo in bolj spodbujajo amilazo kot njihovi sestavni monosaharidi34. V nasprotju s tem ima LAC blažji učinek in je bilo ugotovljeno, da ni sposoben podpirati rasti žuželk pri različnih vrstah 33,35. Na primer, pri škodljivcu Spodoptera exigua (Boddie 1850) v izvlečkih encimov srednjega črevesa gosenice36 niso odkrili hidrolitične aktivnosti LAC.
Kar zadeva spekter FA, naši rezultati kažejo na pomembne modulacijske učinke testiranega CH. Čeprav je lavrinska kislina (C12: 0) predstavljala manj kot 1% celotne FA v prehrani, je prevladovala v vseh profilih (glejte dodatno tabelo S1). To je skladno s prejšnjimi podatki, da se lavrinska kislina sintetizira iz prehranskega CH v H. illucens po poti, ki vključuje acetil-CoA karboksilazo in FA sintazo 19, 27, 37. Naši rezultati potrjujejo, da je CEL večinoma neprebavljiv in deluje kot "sredstvo za povečanje prostornine" v dietah za nadzor BSF, kot je razloženo v več študijah BSFL38,39,40. Zamenjava CEL z monosaharidi in disaharidi, razen LAC, je povečala razmerje C12:0, kar kaže na povečan privzem CH s strani ličink. Zanimivo je, da disaharidi MAL in SUC pospešujejo sintezo lavrinske kisline učinkoviteje kot njuni sestavni monosaharidi, kar nakazuje, da kljub višji stopnji polimerizacije GLU in FRU in ker je Drosophila edini prenašalec saharoze, ki je bil identificiran v vrstah živalskih beljakovin, prenašalci disaharidov morda ni prisoten v črevesju ličink H. illucens15, uporaba GLU in FRU se poveča. Čeprav se GLU in FRU teoretično lažje presnavljata z BSF, ju tudi lažje presnavljajo substrati in črevesni mikroorganizmi, kar lahko povzroči njuno hitrejšo razgradnjo in zmanjšano uporabo s strani ličink v primerjavi z disaharidi.
Na prvi pogled je bila vsebnost lipidov v ličinkah, hranjenih z LAC in MAL, primerljiva, kar kaže na podobno biološko uporabnost teh sladkorjev. Vendar je bil presenetljivo profil FA LAC bogatejši s SFA, zlasti z nižjo vsebnostjo C12: 0, v primerjavi z MAL. Ena od hipotez za razlago te razlike je, da lahko LAC spodbuja bioakumulacijo prehranskih FA preko acetil-CoA FA sintaze. V podporo tej hipotezi so imele ličinke LAC najnižje razmerje dekanoata (C10:0) (0,77 ± 0,13 %) kot dieta CEL (1,27 ± 0,16 %), kar kaže na zmanjšano aktivnost FA sintaze in tioesteraze19. Drugič, prehranske maščobne kisline veljajo za glavni dejavnik, ki vpliva na sestavo SFA H. illucens27. V naših poskusih je linolna kislina (C18:2n6) predstavljala 54,81 % prehranskih maščobnih kislin, pri čemer je bil delež v ličinkah LAC 17,22 ± 0,46 % in v MAL 12,58 ± 0,67 %. Oleinska kislina (cis + trans C18:1n9) (23,22 % v prehrani) je pokazala podoben trend. Tudi razmerje α-linolenske kisline (C18:3n3) podpira hipotezo o bioakumulaciji. Znano je, da se ta maščobna kislina kopiči v BSFL ob obogatitvi substrata, kot je dodatek lanenih pogač, do 6–9 % skupnih maščobnih kislin v ličinkah19. V obogatenih dietah lahko C18:3n3 predstavlja do 35 % vseh prehranskih maščobnih kislin. Vendar je v naši študiji C18:3n3 predstavljal le 2,51 % profila maščobnih kislin. Čeprav je bil delež v naravi nižji pri naših ličinkah, je bil ta delež višji pri ličinkah LAC (0,87 ± 0,02%) kot pri MAL (0,49 ± 0,04%) (p <0,001; glejte dodatno tabelo S1). Dieta CEL je imela vmesni delež 0,72 ± 0,18 %. Nazadnje, razmerje palmitinske kisline (C16: 0) v ličinkah CF odraža prispevek sintetičnih poti in prehranske FA19. Hoc et al. 19 opazili, da se je sinteza C16:0 zmanjšala, ko je bila prehrana obogatena z moko iz lanenih semen, kar je bilo pripisano zmanjšanju razpoložljivosti substrata acetil-CoA zaradi zmanjšanja razmerja CH. Presenetljivo, čeprav sta imeli obe dieti podobno vsebnost CH in je MAL pokazal višjo biološko uporabnost, so ličinke MAL pokazale najnižje razmerje C16:0 (10,46 ± 0,77 %), medtem ko je LAC pokazal višji delež, ki je predstavljal 12,85 ± 0,27 % (p < 0,05; glej Dodatna tabela S1). Ti rezultati poudarjajo kompleksen vpliv hranil na prebavo in presnovo BSFL. Trenutno so raziskave na to temo bolj temeljite pri Lepidoptera kot pri Diptera. Pri gosenicah je bil LAC opredeljen kot šibek stimulans prehranjevanja v primerjavi z drugimi topnimi sladkorji, kot sta SUC in FRU34,35. Zlasti pri Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) je uživanje MAL spodbudilo amilolitično aktivnost v črevesju v večji meri kot LAC34. Podobni učinki pri BSFL lahko pojasnijo okrepljeno stimulacijo sintetične poti C12:0 pri ličinkah MAL, ki je povezana s povečano absorpcijo CH v črevesju, podaljšanim hranjenjem in delovanjem črevesne amilaze. Manjša stimulacija ritma hranjenja v prisotnosti LAC lahko pojasni tudi počasnejšo rast ličink LAC. Še več, Liu Yanxia et al. 27 ugotovil, da je rok uporabnosti lipidov v substratih H. illucens daljši od roka uporabnosti CH. Zato se lahko ličinke LAC bolj zanašajo na prehranske lipide, da dokončajo svoj razvoj, kar lahko poveča njihovo končno vsebnost lipidov in modulira njihov profil maščobnih kislin.
Kolikor nam je znano, je le nekaj študij preizkušalo učinke dodajanja monosaharidov in disaharidov dietam BSF na njihove profile FA. Prvič, Li et al. 30 ocenili učinke GLU in ksiloze ter opazili ravni lipidov, podobne našim, pri 8-odstotni stopnji dodajanja. Profil FA ni bil podroben in je bil sestavljen predvsem iz SFA, vendar ni bilo ugotovljenih razlik med obema sladkorjema ali ko sta bila predstavljena hkrati30. Poleg tega so Cohn et al. 41 ni pokazal nobenega učinka dodatka 20 % GLU, SUC, FRU in GAL krmi za piščance na ustrezne profile FA. Ti spektri so bili pridobljeni iz tehničnih in ne bioloških ponovitev, kar lahko, kot so pojasnili avtorji, omeji statistično analizo. Poleg tega pomanjkanje kontrole izo-sladkorja (z uporabo CEL) omejuje razlago rezultatov. Nedavno sta dve študiji Nugroho RA et al. pokazal anomalije v spektrih FA42,43. V prvi študiji sta Nugroho RA et al. 43 je testiral učinek dodajanja FRU fermentirani moki palmovih jedrc. Profil FA nastalih ličink je pokazal nenormalno visoke ravni PUFA, od katerih jih je več kot 90% izhajalo iz prehrane, ki je vsebovala 10% FRU (podobno naši študiji). Čeprav je ta dieta vsebovala ribje pelete, bogate s PUFA, poročane vrednosti profila FA ličink na kontrolni dieti, sestavljeni iz 100 % fermentiranega PCM, niso bile skladne z nobenim predhodno prijavljenim profilom, zlasti z nenormalno ravnijo C18:3n3 17,77. ± 1,67 % in 26,08 ± 0,20 % za konjugirano linolno kislino (C18:2n6t), redek izomer linolne kisline. Druga študija je pokazala podobne rezultate, vključno s FRU, GLU, MAL in SUC42 v fermentirani moki palmovih jedrc. Te študije, tako kot naša, poudarjajo resne težave pri primerjavi rezultatov preskušanj prehrane ličink BSF, kot so izbire nadzora, interakcije z drugimi viri hranil in metode analize FA.
Med poskusi smo opazili, da sta se barva in vonj substrata spreminjala glede na uporabljeno prehrano. To nakazuje, da lahko mikroorganizmi igrajo vlogo pri rezultatih, opaženih v substratu in prebavnem sistemu ličink. Pravzaprav monosaharide in disaharide zlahka presnavljajo kolonizacijski mikroorganizmi. Hitra poraba topnih sladkorjev s strani mikroorganizmov lahko povzroči sproščanje velikih količin mikrobnih presnovnih produktov, kot so etanol, mlečna kislina, kratkoverižne maščobne kisline (npr. ocetna kislina, propionska kislina, maslena kislina) in ogljikov dioksid44. Nekatere od teh spojin so lahko odgovorne za smrtonosne toksične učinke na ličinke, ki so jih opazili tudi Cohn et al.41 v podobnih razvojnih pogojih. Na primer, etanol je škodljiv za žuželke45. Velike količine izpustov ogljikovega dioksida lahko povzročijo njegovo kopičenje na dnu rezervoarja, kar lahko prikrajša atmosfero kisika, če kroženje zraka ne omogoča njegovega sproščanja. V zvezi s SCFA so njihovi učinki na žuželke, zlasti H. illucens, še vedno slabo razumljeni, čeprav se je izkazalo, da so mlečna kislina, propionska kislina in maslena kislina smrtonosne pri Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. Pri Drosophila melanogaster Meigen 1830 so ti SCFA vohalni markerji, ki vodijo samice do mest za odlaganje jajčec, kar kaže na koristno vlogo pri razvoju ličink47. Vendar je ocetna kislina razvrščena kot nevarna snov in lahko znatno zavira razvoj ličink47. Nasprotno pa so nedavno ugotovili, da ima mikrobno pridobljen laktat zaščitni učinek proti invazivnim črevesnim mikrobom pri Drosophili48. Poleg tega imajo mikroorganizmi v prebavnem sistemu tudi vlogo pri prebavi CH pri žuželkah49. Fiziološki učinki SCFA na črevesno mikrobioto, kot sta hitrost hranjenja in izražanje genov, so bili opisani pri vretenčarjih 50 . Lahko imajo tudi trofični učinek na ličinke H. illucens in lahko delno prispevajo k uravnavanju profilov FA. Študije o prehranskih učinkih teh produktov mikrobne fermentacije bodo razjasnile njihove učinke na prehrano H. illucens in zagotovile osnovo za prihodnje študije o koristnih ali škodljivih mikroorganizmih v smislu njihovega razvoja in vrednosti substratov, bogatih z FA. V zvezi s tem se vedno bolj preučuje vloga mikroorganizmov v prebavnih procesih množično gojenih žuželk. Na žuželke se začenja gledati kot na bioreaktorje, ki zagotavljajo pH in pogoje za oksigenacijo, ki olajšajo razvoj mikroorganizmov, specializiranih za razgradnjo ali razstrupljanje hranil, ki jih žuželke težko prebavijo 51 . Pred kratkim sta Xiang et al.52 dokazala, da na primer inokulacija organskih odpadkov z bakterijsko mešanico omogoča CF, da privabi bakterije, specializirane za razgradnjo lignoceluloze, kar izboljša njeno razgradnjo v substratu v primerjavi s substrati brez ličink.
Nazadnje, kar zadeva koristno uporabo organskih odpadkov s H. illucens, sta dieti CEL in SUC proizvedli največje število ličink na dan. To pomeni, da je kljub nižji končni teži posameznih osebkov skupna teža ličink, proizvedena na substratu, sestavljenem iz neprebavljivega CH, primerljiva s tisto, pridobljeno na homosaharidni dieti, ki vsebuje monosaharide in disaharide. V naši študiji je pomembno opozoriti, da ravni drugih hranil zadostujejo za podporo rasti populacije ličink in da mora biti dodajanje CEL omejeno. Vendar pa se končna sestava ličink razlikuje, kar poudarja pomen izbire prave strategije za valorizacijo žuželk. Ličinke CEL, hranjene s polnovredno krmo, so bolj primerne za uporabo kot krma za živali zaradi nižje vsebnosti maščobe in nižje ravni lavrinske kisline, medtem ko je treba ličinke, hranjene s prehrano SUC ali MAL, razmastiti s stiskanjem, da se poveča vrednost olja, zlasti v biogorivu. sektor. LAC najdemo v stranskih proizvodih mlečne industrije, kot je sirotka iz proizvodnje sira. Nedavno je njegova uporaba (3,5 % laktoze) izboljšala končno telesno težo ličink53. Vendar je kontrolna dieta v tej študiji vsebovala polovico manj lipidov. Zato so antinutritivni učinki LAC morda izničeni z bioakumulacijo ličink prehranskih lipidov.
Kot so pokazale prejšnje študije, lastnosti monosaharidov in disaharidov pomembno vplivajo na rast BSFL in modulirajo njegov profil FA. Zlasti se zdi, da ima LAC antinutritivno vlogo med razvojem ličink z omejevanjem razpoložljivosti CH za absorpcijo lipidov s hrano in s tem spodbuja bioakumulacijo UFA. V tem kontekstu bi bilo zanimivo izvesti biološke teste z uporabo diet, ki združujejo PUFA in LAC. Poleg tega ostaja vloga mikroorganizmov, zlasti vloga mikrobnih metabolitov (kot so SCFA), pridobljenih iz procesov fermentacije sladkorja, raziskovalna tema, vredna preiskave.
Žuželke so bile pridobljene iz kolonije BSF Laboratorija za funkcionalno in evolucijsko entomologijo, ustanovljenega leta 2017 pri Agro-Bio Tech, Gembloux, Belgija (za več podrobnosti o metodah vzreje glejte Hoc et al. 19). Za eksperimentalne poskuse je bilo 2,0 g BSF jajc vsak dan naključno zbranih iz kletk za vzrejo in inkubiranih v 2,0 kg 70 % mokre krme za piščance (Aveve, Leuven, Belgija). Pet dni po izvalitvi smo ličinke ločili od substrata in jih za poskusne namene ročno prešteli. Izmerili smo začetno težo vsake serije. Povprečna posamezna teža je bila 7,125 ± 0,41 mg, povprečje za vsako zdravljenje pa je prikazano v dodatni tabeli S2.
Formulacija diete je bila prilagojena iz študije Barragan-Fonseca et al. 38. Na kratko, najden je bil kompromis med enako kakovostjo krme za piščance z ličinkami, podobno vsebnostjo suhe snovi (DM), visokim CH (10 % glede na svežo hrano) in teksturo, saj enostavni sladkorji in disaharidi nimajo teksturnih lastnosti. Po podatkih proizvajalca (Chicken Feed, AVEVE, Leuven, Belgija) je bil testirani CH (tj. topen sladkor) ločeno dodan kot avtoklavirana vodna raztopina (15,9 %) k prehrani, ki je sestavljena iz 16,0 % beljakovin, 5,0 % skupnih lipidov, 11,9 % mlete piščančje krme, sestavljene iz pepela in 4,8 % vlaknin. V vsakem 750 ml kozarcu (17,20 × 11,50 × 6,00 cm, AVA, Tempsee, Belgija) je bilo 101,9 g avtoklavirane raztopine CH pomešano s 37,8 g krme za piščance. Za vsako dieto je bila vsebnost suhe snovi 37,0 %, vključno s homogenimi beljakovinami (11,7 %), homogenimi lipidi (3,7 %) in homogenimi sladkorji (26,9 % dodanega CH). Testirani CH so bili glukoza (GLU), fruktoza (FRU), galaktoza (GAL), maltoza (MAL), saharoza (SUC) in laktoza (LAC). Kontrolna prehrana je bila sestavljena iz celuloze (CEL), ki velja za neprebavljivo za ličinke H. illucens 38 . Sto 5 dni starih ličink smo položili v pladenj, opremljen s pokrovom z luknjo premera 1 cm na sredini in pokrit s plastično mrežo proti komarjem. Vsaka dieta je bila ponovljena štirikrat.
Maso ličink smo izmerili tri dni po začetku poskusa. Za vsako meritev smo 20 ličink odstranili s substrata s sterilno toplo vodo in kleščami, jih posušili in stehtali (STX223, Ohaus Scout, Parsippany, ZDA). Po tehtanju so bile ličinke vrnjene v sredino substrata. Meritve so bile opravljene redno trikrat na teden do pojava prve predpupe. Na tej točki zberite, preštejte in stehtajte vse ličinke, kot je opisano prej. Ločite ličinke stopnje 6 (tj. bele ličinke, ki ustrezajo larvalni stopnji pred predpupalno fazo) in predlupke (tj. zadnjo larvalno stopnjo, med katero ličinke BSF počrnijo, se prenehajo hraniti in iščejo okolje, primerno za metamorfozo) in shranite na - 18°C za analizo sestave. Izkoristek smo izračunali kot razmerje med skupno maso žuželk (ličinke in predlečke stopnje 6), dobljenih na posodo (g), in razvojnim časom (d). Vse srednje vrednosti v besedilu so izražene kot: povprečje ± SD.
Vsi nadaljnji koraki z uporabo topil (heksan (Hex), kloroform (CHCl3), metanol (MeOH)) so bili izvedeni pod dimno napo in so zahtevali nošenje nitrilnih rokavic, predpasnikov in varnostnih očal.
Bele ličinke smo 72 ur sušili v zamrzovalnem sušilniku FreeZone6 (Labconco Corp., Kansas City, MO, ZDA) in jih nato zmleli (IKA A10, Staufen, Nemčija). Celotne lipide smo ekstrahirali iz ±1 g praška z uporabo metode Folch 54. Vsebnost preostale vlage vsakega liofiliziranega vzorca smo določili v dvojniku z uporabo analizatorja vlage (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Nemčija), da popravimo skupne lipide.
Celotne lipide smo transesterificirali v kislih pogojih, da smo dobili metilne estre maščobnih kislin. Na kratko, približno 10 mg lipidov/100 µl raztopine CHCl3 (100 µl) smo uparili z dušikom v 8 ml Pyrex© epruveti (SciLabware – DWK Life Sciences, London, UK). Epruveto smo dali v Hex (0,5 ml) (PESTINORM®SUPRATRACE n-Heksan > 95 % za analizo organskih sledi, VWR Chemicals, Radnor, PA, ZDA) in Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) raztopino (0,5 ml) v vodni kopeli pri 70 °C 90 minut. Po ohlajanju dodamo 10 % vodno raztopino H2SO4 (0,2 ml) in nasičeno raztopino NaCl (0,5 ml). Epruveto premešajte in zmes napolnite s čistim Hexom (8,0 ml). Del zgornje faze smo prenesli v vialo in analizirali s plinsko kromatografijo s plamensko ionizacijskim detektorjem (GC-FID). Vzorci so bili analizirani z uporabo Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Waltham, MA, ZDA), opremljenega z injektorjem split/splitless (240 °C) v načinu split (razdeljeni pretok: 10 ml/min), kolono Stabilwax®-DA ( 30 m, notranji premer 0,25 mm, 0,25 μm, Restek Corp., Bellefonte, PA, ZDA) in FID (250 °C). Temperaturni program je bil nastavljen na naslednji način: 50 °C za 1 minuto, povečanje na 150 °C pri 30 °C/min, povečanje do 240 °C pri 4 °C/min in nadaljevanje pri 240 °C za 5 minut. Hex je bil uporabljen kot slepi vzorec, za identifikacijo pa je bil uporabljen referenčni standard, ki vsebuje 37 metilnih estrov maščobnih kislin (Supelco 37-component FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Belgija). Identifikacija nenasičenih maščobnih kislin (NFA) je bila potrjena s celovito dvodimenzionalno GC (GC × GC-FID) in prisotnost izomerov je bila natančno določena z rahlo prilagoditvijo metode Ferrara et al. 55. Podrobnosti o instrumentu lahko najdete v dodatni tabeli S3, rezultate pa v dodatni sliki S5.
Podatki so predstavljeni v obliki preglednice Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, ZDA). Statistična analiza je bila izvedena s programom R Studio (različica 2023.12.1+402, Boston, ZDA) 56 . Podatki o teži ličink, razvojnem času in produktivnosti so bili ocenjeni z uporabo linearnega modela (LM) (ukaz »lm«, R paket »statistika« 56 ), saj ustrezajo Gaussovi porazdelitvi. Stopnje preživetja z analizo binomskega modela so bile ocenjene z uporabo splošnega linearnega modela (GLM) (ukaz »glm«, paket R »lme4« 57 ). Normalnost in homoskedastičnost sta bili potrjeni s Shapirovim testom (ukaz »shapiro.test«, R paket »stats« 56 ) in analizo variance podatkov (ukaz betadisper, R paket »vegan« 58 ). Po parni analizi pomembnih p-vrednosti (p <0,05) iz testa LM ali GLM so bile s testom EMM odkrite pomembne razlike med skupinami (ukaz »emmeans«, paket R »emmeans« 59).
Celotni spektri FA so bili primerjani z uporabo multivariatne permutacijske analize variance (tj. permMANOVA; ukaz »adonis2«, R paket »vegan« 58) z uporabo evklidske matrike razdalje in 999 permutacij. To pomaga prepoznati maščobne kisline, na katere vpliva narava prehranskih ogljikovih hidratov. Pomembne razlike v profilih FA so bile nadalje analizirane z uporabo parnih primerjav. Podatke smo nato vizualizirali z analizo glavnih komponent (PCA) (ukaz “PCA”, R paket “FactoMineR” 60). FA, odgovoren za te razlike, je bil identificiran z interpretacijo korelacijskih krogov. Ti kandidati so bili potrjeni z enosmerno analizo variance (ANOVA) (ukaz »aov«, paket R »statistika« 56 ), ki ji je sledil Tukeyjev post hoc test (ukaz TukeyHSD, paket R »statistika« 56 ). Pred analizo je bila normalnost ocenjena s Shapiro-Wilkovim testom, homoskedastičnost je bila preverjena z Bartlettovim testom (ukaz »bartlett.test«, paket R »stats« 56) in uporabljena neparametrična metoda, če ni bila izpolnjena nobena od obeh predpostavk. . Analize so bile primerjane (ukaz “kruskal.test”, R paket “stats” 56 ), nato pa so bili uporabljeni Dunnovi post hoc testi (ukaz dunn.test, R paket “dunn.test” 56 ).
Končna različica rokopisa je bila preverjena z uporabo Grammarly Editorja kot angleškega lektorja (Grammarly Inc., San Francisco, Kalifornija, ZDA) 61 .
Nabori podatkov, ustvarjeni in analizirani med trenutno študijo, so na voljo pri ustreznem avtorju na razumno zahtevo.
Kim, SW, et al. Zadovoljevanje svetovnega povpraševanja po krmnih beljakovinah: izzivi, priložnosti in strategije. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R., et al. Pregled stanja in obetov svetovne proizvodnje užitnih žuželk. Entomol. Gen. 44, (2024).
Rehman, K. ur, et al. Črna vojaška muha (Hermetia illucens) kot potencialno inovativno in okolju prijazno orodje za ravnanje z organskimi odpadki: Kratek pregled. Raziskave ravnanja z odpadki 41, 81–97 (2023).
Skala, A., et al. Vzgojni substrat vpliva na rast in stanje makrohranil industrijsko pridelanih ličink črne vojaške muhe. Sci. Rep. 10, 19448 (2020).
Shu, MK, et al. Antimikrobne lastnosti oljnih izvlečkov iz ličink črne vojaške muhe, vzgojenih na krušnih drobtinah. Znanost o hrani za živali, 64, (2024).
Schmitt, E. in de Vries, W. (2020). Potencialne koristi uporabe gnoja črne muhe kot izboljšave tal za pridelavo hrane in zmanjšan vpliv na okolje. Trenutno mnenje. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Franco A. et al. Lipidi črnega vojaka – inovativen in trajnosten vir. Trajnostni razvoj, letn. 13, (2021).
Van Huis, A. Žuželke kot hrana in krma, nastajajoče področje v kmetijstvu: pregled. J. Hrana za žuželke 6, 27–44 (2020).
Kachor, M., Bulak, P., Prots-Petrikha, K., Kirichenko-Babko, M., in Beganovsky, A. Različne uporabe črne vojaške muhe v industriji in kmetijstvu – pregled. Biologija 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F. in Caparros Megido, R. Optimizacija umetnega razmnoževanja Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Čas objave: 25. december 2024