Дякуємо, що відвідали Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для отримання найкращих результатів рекомендуємо використовувати новіший браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів і JavaScript.
Чорна солдатська муха (Hermetia illucens, L. 1758) — це всеїдна комаха, що руйнує організм, з високим потенціалом утилізації багатих на вуглеводи органічних побічних продуктів. Серед вуглеводів чорні солдатські мухи покладаються на розчинні цукри для росту та синтезу ліпідів. Метою цього дослідження було оцінити вплив звичайних розчинних цукрів на розвиток, виживання та профіль жирних кислот чорних солдатських мух. Додавайте в корм курям окремо моносахариди і дисахариди. В якості контролю використовували целюлозу. Личинки, яких годували глюкозою, фруктозою, сахарозою та мальтозою, росли швидше, ніж контрольні личинки. Навпаки, лактоза мала антипоживну дію на личинок, уповільнюючи ріст і зменшуючи кінцеву масу тіла особини. Однак усі розчинні цукру робили личинок жирнішими, ніж ті, яких годували контрольною дієтою. Примітно, що досліджувані цукру сформували профіль жирних кислот. Мальтоза і сахароза підвищили вміст насичених жирних кислот порівняно з целюлозою. Навпаки, лактоза збільшила біонакопичення харчових ненасичених жирних кислот. Це перше дослідження, яке продемонструвало вплив розчинного цукру на склад жирних кислот личинок чорної солдатської мухи. Наші результати вказують на те, що перевірені вуглеводи мають значний вплив на склад жирних кислот личинок чорної солдатської мухи і, отже, можуть визначити їх остаточне застосування.
Глобальний попит на енергоносії та тваринний білок продовжує зростати1. У контексті глобального потепління вкрай важливо знайти більш екологічні альтернативи викопній енергії та традиційним методам виробництва їжі, одночасно збільшуючи виробництво. Комахи є перспективними кандидатами для вирішення цих проблем через їх нижчий хімічний склад і вплив на навколишнє середовище порівняно з традиційним тваринництвом2. Серед комах відмінним кандидатом для вирішення цих проблем є чорна солдатська муха (BSF), Hermetia illucens (L. 1758), руйнівний вид, здатний харчуватися різноманітними органічними субстратами3. Таким чином, підвищення цінності цих субстратів шляхом розведення BSF може створити нове джерело сировини для задоволення потреб різних галузей промисловості.
Личинки BSF (BSFL) можуть харчуватися сільськогосподарськими та агропромисловими побічними продуктами, такими як пивоварне зерно, рослинні залишки, м’якоть фруктів і черствий хліб, які особливо підходять для росту BSFL через високий вміст вуглеводів (CH)4,5, 6 зміст. Масштабне виробництво BSFL призводить до утворення двох продуктів: фекалій, суміші залишків субстрату та фекалій, які можна використовувати як добриво для вирощування рослин7, і личинок, які в основному складаються з білків, ліпідів і хітину. Білки та ліпіди в основному використовуються у тваринництві, біопаливі та косметиці8,9. Що стосується хітину, то цей біополімер знаходить застосування в агропродовольчому секторі, біотехнології та охороні здоров'я10.
BSF є аутогенною голометаболічною комахою, що означає, що її метаморфоз і розмноження, особливо енергоспоживаючі стадії життєвого циклу комахи, можуть повністю підтримуватися запасами поживних речовин, що утворюються під час росту личинок11. Більш конкретно, синтез білка та ліпідів призводить до розвитку жирового тіла, важливого органу накопичення, який вивільняє енергію під час фаз нехарчування BSF: передлялечки (тобто остаточної личинкової стадії, під час якої личинки BSF стають чорними під час годування та пошуку для середовища, придатного для метаморфозу), лялечки (тобто нерухома стадія, під час якої комаха зазнає метаморфозу), і дорослі12,13. CH є основним джерелом енергії в раціоні BSF14. Серед цих поживних речовин волокнисті CH, такі як геміцелюлоза, целюлоза та лігнін, на відміну від дисахаридів і полісахаридів (таких як крохмаль), не можуть бути перетравлені BSFL15,16. Перетравлення СН є важливим попереднім етапом для всмоктування вуглеводів, які в кінцевому підсумку гідролізуються до простих цукрів у кишечнику16. Потім прості цукри можуть поглинатися (тобто через кишкову перитрофічну мембрану) і метаболізуватися для виробництва енергії17. Як згадувалося вище, личинки накопичують надлишок енергії у вигляді ліпідів у жировому тілі12,18. Запасні ліпіди складаються з тригліцеридів (нейтральні ліпіди, утворені з однієї молекули гліцерину та трьох жирних кислот), синтезованих личинками з харчових простих цукрів. Ці СН забезпечують субстрати ацетил-КоА, необхідні для біосинтезу жирних кислот (ЖК) через шляхи синтази жирних кислот і тіоестерази19. У профілі жирних кислот ліпідів H. illucens природним чином переважають насичені жирні кислоти (НЖК) з високою часткою лауринової кислоти (C12:0)19,20. Тому високий вміст ліпідів і склад жирних кислот швидко стають обмежуючими факторами для використання цілих личинок у кормах для тварин, особливо в аквакультурі, де потрібні поліненасичені жирні кислоти (ПНЖК)21.
Після виявлення потенціалу BSFL для зменшення органічних відходів дослідження цінності різних побічних продуктів показали, що склад BSFL частково регулюється його раціоном. В даний час регуляція профілю FA H. illucens продовжує вдосконалюватися. Здатність BSFL біоакумулювати ПНЖК була продемонстрована на багатих ПНЖК субстратах, таких як водорості, рибні відходи або борошно, наприклад насіння льону, що забезпечує більш якісний профіль ЖК для годівлі тварин19,22,23. Навпаки, для побічних продуктів, які не збагачені ПНЖК, не завжди існує кореляція між харчовими профілями ЖК і личинковими ЖК, що вказує на вплив інших поживних речовин24,25. Фактично, вплив засвоюваного CH на профілі FA залишається погано вивченим і недостатньо дослідженим24,25,26,27.
Наскільки нам відомо, незважаючи на те, що загальна кількість моносахаридів і дисахаридів у великій кількості міститься в раціоні H. illucens, їх харчова роль залишається недостатньо вивченою в харчуванні H. illucens. Метою цього дослідження було з’ясувати їх вплив на харчування та ліпідний склад BSFL. Ми оцінимо ріст, виживання та продуктивність личинок за різних умов харчування. Потім ми опишемо вміст ліпідів і профіль жирних кислот у кожній дієті, щоб підкреслити вплив СН на якість харчування BSFL.
Ми припустили, що природа досліджуваного CH впливатиме на (1) ріст личинок, (2) загальні рівні ліпідів і (3) модулювати профіль FA. Моносахариди можуть всмоктуватися безпосередньо, тоді як дисахариди повинні бути гідролізовані. Таким чином, моносахариди є більш доступними як прямі джерела енергії або попередники для ліпогенезу через шляхи FA-синтази та тіоестерази, тим самим посилюючи ріст личинок H. illucens і сприяючи накопиченню резервних ліпідів (особливо лауринової кислоти).
Досліджувана СН впливала на середню масу тіла личинок під час росту (рис. 1). FRU, GLU, SUC і MAL збільшили масу тіла личинок подібно до контрольної дієти (CEL). Навпаки, LAC і GAL, як виявилося, затримують розвиток личинок. Слід зазначити, що LAC мав значний негативний вплив на ріст личинок порівняно з SUC протягом усього періоду росту: 9,16 ± 1,10 мг проти 15,00 ± 1,01 мг на 3-й день (F6,21 = 12,77, p < 0,001; рис. 1), 125,11 ± 4,26 мг і 211,79 ± 14,93 мг відповідно на 17 добу (F6,21 = 38,57, p < 0,001; рис. 1).
Використання різних моносахаридів (фруктози (FRU), галактози (GAL), глюкози (GLU)), дисахаридів (лактози (LAC), мальтози (MAL), сахарози (SUC)) і целюлози (CEL) як контролю. Зростання личинок, яких годували личинками чорної солдатської мухи. Кожна точка на кривій представляє середню індивідуальну вагу (мг), розраховану шляхом зважування 20 випадково вибраних личинок із популяції 100 личинок (n = 4). Смуги помилок представляють SD.
Дієта CEL забезпечила відмінне виживання личинок 95,5 ± 3,8%. Крім того, виживаність H. illucens, що отримували дієти, що містять розчинний CH, була знижена (GLM: χ = 107,13, df = 21, p < 0,001), що було викликано MAL і SUC (дисахариди) у досліджуваному CH. Смертність була нижчою, ніж у GLU, FRU, GAL (моносахарид) і LAC (EMM: p < 0,001, рис. 2).
Бокс-схема виживання личинок чорної солдатської мухи, оброблених різними моносахаридами (фруктоза, галактоза, глюкоза), дисахаридами (лактоза, мальтоза, сахароза) і целюлозою в якості контролю. Лікування з тією самою літерою істотно не відрізняється одне від одного (EMM, p > 0,05).
Усі випробувані дієти дозволили личинкам досягти передлялечкової стадії. Проте досліджувані CHs мали тенденцію до подовження розвитку личинок (F6,21=9,60, p<0,001; таблиця 1). Зокрема, личинкам, яких годували GAL і LAC, знадобилося більше часу, щоб досягти передлялечної стадії порівняно з личинками, вирощеними на CEL (CEL-GAL: p<0,001; CEL-LAC: p<0,001; таблиця 1).
Випробуваний CH також мав різний вплив на масу тіла личинок, при цьому маса тіла личинок, які отримували дієту CEL, досягала 180,19 ± 11,35 мг (F6,21 = 16,86, p <0,001; рис. 3). FRU, GLU, MAL і SUC призвели до середньої кінцевої маси тіла личинок понад 200 мг, що було значно вище, ніж у CEL (p <0,05). Навпаки, личинки, яких годували GAL і LAC, мали нижчу масу тіла, в середньому 177,64 ± 4,23 мг і 156,30 ± 2,59 мг відповідно (p <0,05). Цей ефект був більш вираженим при LAC, де кінцева маса тіла була нижчою, ніж при контрольній дієті (CEL-LAC: різниця = 23,89 мг; p = 0,03; рис. 3).
Середня кінцева вага окремих личинок, виражена як личинкові плями (мг), і чорних солдатичних мух, виражена як гістограма (г), яких годували різними моносахаридами (фруктоза, галактоза, глюкоза), дисахаридами (лактоза, мальтоза, сахароза) і целюлозою (як контроль). Стовпчасті букви представляють групи, що значно відрізняються за загальною масою личинок (p <0,001). Букви, пов’язані з личинковими плямами, представляють групи зі значно різною індивідуальною вагою личинок (p <0,001). Смуги помилок представляють SD.
Максимальна індивідуальна вага не залежала від максимальної остаточної загальної ваги колонії личинок. Насправді дієти, що містять FRU, GLU, MAL і SUC, не збільшували загальну вагу личинок, вироблених в акваріумі, порівняно з CEL (рис. 3). Однак LAC значно знизив загальну вагу (CEL-LAC: різниця = 9,14 г; p < 0,001; рис. 3).
У таблиці 1 наведено вихід (личинки/день). Цікаво, що оптимальні виходи CEL, MAL і SUC були подібними (табл. 1). Навпаки, FRU, GAL, GLU та LAC зменшили врожайність порівняно з CEL (табл. 1). GAL і LAC показали найгірші результати: врожайність була вдвічі лише до 0,51 ± 0,09 г личинок/день і 0,48 ± 0,06 г личинок/день відповідно (табл. 1).
Моносахариди та дисахариди підвищували вміст ліпідів у личинок МВ (табл. 1). На дієті CLE отримано личинок із вмістом ліпідів 23,19 ± 0,70 % від вмісту СМ. Для порівняння середній вміст ліпідів у личинок, які отримували розчинний цукор, становив понад 30 % (табл. 1). Однак досліджувані СН збільшували вміст жиру в однаковій мірі.
Як і очікувалося, суб'єкти CG різною мірою впливали на профіль FA личинок (рис. 4). Вміст НЖК був високим у всіх раціонах і досягав понад 60%. MAL і SUC дисбалансували профіль FA, що призвело до збільшення вмісту SFA. У випадку МАЛ, з одного боку, цей дисбаланс зумовлював переважно зниження вмісту мононенасичених жирних кислот (МНЖК) (F6,21 = 7,47; p < 0,001; рис. 4). З іншого боку, для SUC зниження було більш рівномірним між MUFA та PUFA. LAC і MAL мали протилежний вплив на спектр 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; рис. 4). Нижча частка НЖК у личинках, яких годували LAC, здається, збільшує вміст МНЖК. Зокрема, рівні MUFA були вищими у личинок, яких годували LAC, порівняно з іншими розчинними цукрами, за винятком GAL (F6,21 = 7,47; p <0,001; рис. 4).
Використовуючи різні моносахариди (фруктоза (FRU), галактоза (GAL), глюкоза (GLU)), дисахариди (лактоза (LAC), мальтоза (MAL), сахароза (SUC)) і целюлоза (CEL) як контролі, коробковий графік жирних кислот композицією згодовують личинки чорної солдатської мухи. Результати виражені у відсотках від загальної FAME. Лікування, позначені різними літерами, значно відрізняються (p <0,001). (a) частка насичених жирних кислот; (b) мононенасичені жирні кислоти; (c) Поліненасичені жирні кислоти.
Серед ідентифікованих жирних кислот лауринова кислота (С12:0) була домінуючою в усіх досліджуваних спектрах (більше 40%). Іншими присутніми НЖК були пальмітинова кислота (C16:0) (менше 10%), стеаринова кислота (C18:0) (менше 2,5%) і капрінова кислота (C10:0) (менше 1,5%). MUFA були в основному представлені олеїновою кислотою (C18:1n9) (менше 9,5%), тоді як PUFAs в основному складалися з лінолевої кислоти (C18:2n6) (менше 13,0%) (див. додаткову таблицю S1). Крім того, невелику частку сполук не вдалося ідентифікувати, особливо в спектрах личинок CEL, де неідентифікована сполука номер 9 (UND9) становила в середньому 2,46 ± 0,52% (див. Додаткову таблицю S1). Аналіз GC × GC-FID припустив, що це може бути 20-вуглецева жирна кислота з п’ятьма або шістьма подвійними зв’язками (див. Додатковий малюнок S5).
Аналіз PERMANOVA виявив три чіткі групи на основі профілів жирних кислот (F6,21 = 7,79, p < 0,001; рис. 5). Аналіз головних компонентів (PCA) спектру TBC ілюструє це та пояснюється двома компонентами (рис. 5). Основні компоненти пояснювали 57,9% дисперсії та включали, у порядку важливості, лауринову кислоту (C12:0), олеїнову кислоту (C18:1n9), пальмітинову кислоту (C16:0), стеаринову кислоту (C18:0) та ліноленова кислота (C18:3n3) (див. Малюнок S4). Другий компонент пояснював 26,3% дисперсії та включав, у порядку важливості, деканову кислоту (C10:0) та лінолеву кислоту (C18:2n6 цис) (див. Додатковий малюнок S4). Профілі дієт, що містять прості цукри (FRU, GAL і GLU), показали схожі характеристики. Навпаки, дисахариди дають різні профілі: MAL і SUC з одного боку та LAC з іншого. Зокрема, MAL був єдиним цукром, який змінив профіль FA порівняно з CEL. Крім того, профіль MAL значно відрізнявся від профілів FRU і GLU. Зокрема, профіль MAL показав найвищу частку C12:0 (54,59 ± 2,17%), що робить його порівнянним з CEL (43,10 ± 5,01%), LAC (43,35 ± 1,31%), FRU (48,90 ± 1,97%) та Профілі GLU (48,38 ± 2,17%) (див. додаткову таблицю S1). Спектр MAL також показав найнижчий вміст C18:1n9 (9,52 ± 0,50%), що ще більше відрізняє його від спектрів LAC (12,86 ± 0,52%) і CEL (12,40 ± 1,31%). Подібна тенденція спостерігалася для C16:0. У другому компоненті спектр LAC показав найвищий вміст C18:2n6 (17,22 ± 0,46%), тоді як MAL показав найнижчий (12,58 ± 0,67%). C18:2n6 також диференціював LAC від контролю (CEL), який показав нижчі рівні (13,41 ± 2,48%) (див. Додаткову таблицю S1).
Діаграма PCA профілю жирних кислот личинок чорної солдатської мухи з різними моносахаридами (фруктоза, галактоза, глюкоза), дисахаридами (лактоза, мальтоза, сахароза) і целюлозою як контроль.
Щоб вивчити поживний вплив розчинних цукрів на личинки H. illucens, целюлозу (CEL) у кормі для курей замінили глюкозою (GLU), фруктозою (FRU), галактозою (GAL), мальтозою (MAL), сахарозою (SUC) і лактоза (LAC). Однак моносахариди та дисахариди мали різний вплив на розвиток, виживання та склад личинок HF. Наприклад, GLU, FRU та їх дисахаридні форми (MAL і SUC) справляли позитивний підтримуючий вплив на ріст личинок, дозволяючи їм досягати більшої кінцевої маси тіла, ніж CEL. На відміну від неперетравлюваних CEL, GLU, FRU та SUC можуть обходити кишковий бар’єр і служити важливими джерелами поживних речовин у складених дієтах16,28. У MAL відсутні специфічні тваринні транспортери, і вважається, що він гідролізується до двох молекул глюкози перед асиміляцією15. Ці молекули зберігаються в тілі комах як пряме джерело енергії або як ліпіди18. По-перше, щодо останнього, деякі спостережувані інтрамодальні відмінності можуть бути наслідком невеликих відмінностей у співвідношеннях статей. Дійсно, у H. illucens розмноження може бути повністю спонтанним: дорослі самки природно мають достатні резерви для відкладання яєць і важчі за самців29. Однак накопичення ліпідів у BSFL корелює із споживанням розчинного CH2 з їжею, як раніше спостерігалося для GLU та ксилози26,30. Наприклад, Li et al.30 помітили, що коли 8% GLU додали до раціону личинок, вміст ліпідів у личинках BSF збільшився на 7,78% порівняно з контролем. Наші результати узгоджуються з цими спостереженнями, показуючи, що вміст жиру в личинках, яких годували розчинним цукром, був вищим, ніж у личинок, яких годували дієтою CEL, порівняно зі збільшенням на 8,57% при додаванні ГЛЮ. Дивно, але подібні результати спостерігалися у личинок, яких годували GAL і LAC, незважаючи на несприятливий вплив на ріст личинок, кінцеву масу тіла та виживання. Личинки, яких годували LAC, були значно меншими, ніж ті, яких годували дієтою CEL, але їх вміст жиру був порівнянним із вмістом личинок, яких годували іншими розчинними цукрами. Ці результати підкреслюють антихарчовий вплив лактози на BSFL. По-перше, дієта містить велику кількість СН. Системи поглинання та гідролізу моносахаридів і дисахаридів, відповідно, можуть досягти насичення, викликаючи вузькі місця в процесі асиміляції. Що стосується гідролізу, то він здійснюється α- і β-глюкозидазами 31 . Ці ферменти мають переважні субстрати залежно від їх розміру та хімічних зв’язків (α або β зв’язків) між моносахаридами, що входять до їх складу 15 . Гідроліз LAC до GLU і GAL здійснюється β-галактозидазою, ферментом, активність якого була продемонстрована в кишечнику BSF 32 . Однак його експресія може бути недостатньою порівняно з кількістю LAC, що споживається личинками. Навпаки, альфа-глюкозидаза мальтаза та сахараза 15, які, як відомо, рясно експресуються в комах, здатні розщеплювати великі кількості MAL та сахарози SUC, тим самим обмежуючи цей ефект насичування. По-друге, антипоживні ефекти можуть бути наслідком зниженої стимуляції активності кишкової амілази комах і уповільнення харчової поведінки порівняно з іншими методами лікування. Дійсно, розчинні цукри були ідентифіковані як стимулятори активності ферментів, важливих для травлення комах, таких як амілаза, і як тригери відповіді на годування33,34,35. Ступінь стимуляції змінюється в залежності від молекулярної структури цукру. Фактично, дисахариди вимагають гідролізу перед поглинанням і мають тенденцію стимулювати амілазу більше, ніж моносахариди, що входять до їх складу34. Навпаки, LAC має більш м’який ефект і, як було встановлено, не здатний підтримувати ріст комах у різних видів33,35. Наприклад, у шкідника Spodoptera exigua (Boddie 1850) не було виявлено гідролітичної активності LAC в екстрактах ферментів середньої кишки гусениці36.
Що стосується спектру FA, наші результати вказують на значні модуляторні ефекти досліджуваного CH. Примітно, що хоча лауринова кислота (C12:0) становила менше 1% від загальної кількості жирних кислот у раціоні, вона домінувала в усіх профілях (див. додаткову таблицю S1). Це узгоджується з попередніми даними про те, що лауринова кислота синтезується з дієтичного СН у H. illucens за допомогою шляху, що включає ацетил-КоА-карбоксилазу та FA-синтазу19,27,37. Наші результати підтверджують, що CEL значною мірою неперетравлюється і діє як «наповнювач» у дієтах для контролю BSF, як обговорювалося в кількох дослідженнях BSFL38,39,40. Заміна CEL моносахаридами та дисахаридами, крім LAC, збільшила співвідношення C12:0, що вказує на збільшення поглинання CH личинками. Цікаво, що дисахариди MAL і SUC сприяють синтезу лауринової кислоти ефективніше, ніж моносахариди, що входять до їх складу, що свідчить про те, що, незважаючи на вищий ступінь полімеризації GLU і FRU, і оскільки Drosophila є єдиним транспортером сахарози, який був ідентифікований у видах тваринного білка, транспортери дисахаридів можуть не бути присутніми в кишечнику личинок H. illucens15, утилізація GLU і FRU збільшується. Однак, хоча GLU та FRU теоретично легше метаболізуються BSF, вони також легше метаболізуються субстратами та кишковими мікроорганізмами, що може призвести до їх швидшої деградації та зниження утилізації личинками порівняно з дисахаридами.
На перший погляд, вміст ліпідів у личинок, яких годували LAC і MAL, був порівнянним, що вказувало на подібну біодоступність цих цукрів. Однак, як не дивно, профіль FA LAC був багатшим на SFA, особливо з меншим вмістом C12:0, порівняно з MAL. Одна з гіпотез, яка пояснює цю різницю, полягає в тому, що LAC може стимулювати біонакопичення дієтичних ЖК через ацетил-КоА-синтазу ЖК. Підтримуючи цю гіпотезу, личинки LAC мали найнижчий коефіцієнт деканоату (C10:0) (0,77 ± 0,13%), ніж дієта CEL (1,27 ± 0,16%), що вказує на знижену активність FA-синтази та тіоестерази19. По-друге, дієтичні жирні кислоти вважаються головним фактором, що впливає на склад НЖК H. illucens27. У наших експериментах на частку лінолевої кислоти (C18:2n6) припадало 54,81% дієтичних жирних кислот, причому частка в LAC у личинках становила 17,22 ± 0,46% і в MAL 12,58 ± 0,67%. Олеїнова кислота (цис + транс C18:1n9) (23,22% у раціоні) продемонструвала подібну тенденцію. Співвідношення α-ліноленової кислоти (C18:3n3) також підтверджує гіпотезу біоакумуляції. Відомо, що ця жирна кислота накопичується в BSFL при збагаченні субстрату, такому як додавання макухи насіння льону, до 6-9% від загальної кількості жирних кислот у личинках19. У збагачених дієтах на C18:3n3 може припадати до 35% загальної кількості харчових жирних кислот. Однак у нашому дослідженні C18:3n3 становив лише 2,51% профілю жирних кислот. Хоча частка, знайдена в природі, була нижчою в наших личинках, ця частка була вищою в личинках LAC (0,87 ± 0,02%), ніж у MAL (0,49 ± 0,04%) (p <0,001; див. Додаткову таблицю S1). Дієта CEL мала проміжну частку 0,72 ± 0,18%. Нарешті, співвідношення пальмітинової кислоти (C16:0) у личинках CF відображає внесок синтетичних шляхів та дієтичного FA19. Hoc та ін. 19 спостерігали, що синтез C16:0 знижувався, коли дієта була збагачена борошном з насіння льону, що пояснювалося зниженням доступності субстрату ацетил-КоА через зменшення співвідношення CH. Дивно, але хоча обидва раціони мали подібний вміст CH, а MAL продемонстрував вищу біодоступність, личинки MAL показали найнижче співвідношення C16:0 (10,46 ± 0,77%), тоді як LAC показали вищу частку, що становить 12,85 ± 0,27% (p < 0,05; див. Додаткова таблиця S1). Ці результати підкреслюють комплексний вплив поживних речовин на травлення та метаболізм BSFL. В даний час дослідження на цю тему є більш ретельними для Lepidoptera, ніж для Diptera. У гусениць LAC було визначено як слабкий стимулятор харчової поведінки порівняно з іншими розчинними цукрами, такими як SUC і FRU34,35. Зокрема, у Spodopteralittoralis (Boisduval 1833) споживання MAL стимулювало амілолітичну активність у кишечнику більшою мірою, ніж LAC34. Подібні ефекти в BSFL можуть пояснити посилену стимуляцію синтетичного шляху C12:0 у личинках MAL, що пов’язано зі збільшенням кишкового поглинання CH, тривалим годуванням та дією кишкової амілази. Менша стимуляція ритму годування за наявності LAC також може пояснити повільніший ріст личинок LAC. Крім того, Liu Yanxia та ін. 27 зазначив, що термін зберігання ліпідів у субстратах H. illucens був довшим, ніж у CH. Таким чином, личинки LAC можуть більше покладатися на харчові ліпіди для завершення свого розвитку, що може збільшити їх кінцевий вміст ліпідів і модулювати їхній профіль жирних кислот.
Наскільки нам відомо, лише кілька досліджень перевіряли вплив додавання моносахаридів і дисахаридів до дієти BSF на профілі FA. По-перше, Li et al. 30 оцінили вплив ГЛЮ та ксилози та спостерігали рівні ліпідів, подібні до наших, при додаванні 8% норми. Профіль ЖК не був деталізований і складався в основному з НЖК, але не було виявлено відмінностей між двома цукрами або коли вони подавались одночасно30. Крім того, Cohn та ін. 41 не показали жодного ефекту додавання 20% GLU, SUC, FRU та GAL до корму для курей на відповідні профілі FA. Ці спектри були отримані з технічних, а не біологічних повторів, що, як пояснюють автори, може обмежити статистичний аналіз. Крім того, відсутність ізо-цукру контролю (з використанням CEL) обмежує інтерпретацію результатів. Нещодавно два дослідження Nugroho RA et al. продемонстрували аномалії в спектрах FA42,43. У першому дослідженні Nugroho RA et al. 43 перевірили ефект додавання FRU до ферментованої пальмоядрової муки. Профіль FA отриманих личинок показав аномально високі рівні PUFA, більше 90% яких були отримані з раціону, що містив 10% FRU (подібно до нашого дослідження). Незважаючи на те, що ця дієта містила рибні гранули, багаті ПНЖК, зареєстровані значення профілю жирної кислоти личинок на контрольній дієті, що складається з 100% ферментованого PCM, не узгоджувалися з будь-яким раніше зареєстрованим профілем, зокрема аномальним рівнем C18:3n3 17,77. ± 1,67% і 26,08 ± 0,20% для кон'югованої лінолевої кислоти (C18:2n6t), рідкісний ізомер лінолевої кислоти. Друге дослідження показало схожі результати, включаючи FRU, GLU, MAL і SUC42 у ферментованому борошні з пальмових ядер. Ці дослідження, як і наше, висвітлюють серйозні труднощі при порівнянні результатів випробувань дієти на личинках BSF, таких як вибір контролю, взаємодія з іншими джерелами поживних речовин і методи аналізу FA.
Під час експериментів ми помітили, що колір і запах субстрату змінюються залежно від використовуваної дієти. Це свідчить про те, що мікроорганізми можуть відігравати певну роль у результатах, які спостерігаються в субстраті та травній системі личинок. Насправді моносахариди та дисахариди легко метаболізуються колонізуючими мікроорганізмами. Швидке споживання розчинних цукрів мікроорганізмами може призвести до виділення великих кількостей мікробних метаболічних продуктів, таких як етанол, молочна кислота, коротколанцюгові жирні кислоти (наприклад, оцтова кислота, пропіонова кислота, масляна кислота) і вуглекислий газ44. Деякі з цих сполук можуть бути відповідальними за летальний токсичний вплив на личинок, також спостережений Коном та ін.41 за аналогічних умов розвитку. Наприклад, етанол шкідливий для комах45. Викиди великої кількості вуглекислого газу можуть призвести до його накопичення на дні резервуару, що може позбавити атмосферу кисню, якщо циркуляція повітря не дозволяє його вивільненню. Щодо SCFAs, їх вплив на комах, особливо H. illucens, залишається недостатньо вивченим, хоча було показано, що молочна кислота, пропіонова кислота та масляна кислота є летальними для Callosobruchus maculatus (Fabricius 1775)46. У Drosophila melanogaster Meigen 1830 ці SCFA є нюховими маркерами, які направляють самок до місць відкладання яєць, що свідчить про сприятливу роль у розвитку личинок47. Однак оцтова кислота класифікується як небезпечна речовина і може значно пригнічувати розвиток личинок47. Навпаки, нещодавно було виявлено, що отриманий мікробами лактат має захисний ефект проти інвазивних кишкових мікробів у Drosophila48. Крім того, мікроорганізми в травній системі також відіграють важливу роль у травленні CH у комах49. Фізіологічні ефекти SCFA на кишкову мікробіоту, такі як швидкість годування та експресія генів, були описані у хребетних 50 . Вони також можуть мати трофічний вплив на личинки H. illucens і можуть частково сприяти регуляції профілів FA. Дослідження поживних ефектів цих мікробних продуктів бродіння прояснить їх вплив на харчування H. illucens і забезпечить основу для майбутніх досліджень корисних або шкідливих мікроорганізмів з точки зору їх розвитку та цінності багатих ЖК субстратів. У зв'язку з цим все більше вивчається роль мікроорганізмів у процесах травлення комах, які масово вирощуються. Комах починають розглядати як біореактори, що забезпечують рН і умови оксигенації, які сприяють розвитку мікроорганізмів, що спеціалізуються на деградації або детоксикації поживних речовин, які важко засвоюються комахами 51 . Нещодавно Xiang et al.52 продемонстрували, що, наприклад, інокуляція органічних відходів бактеріальною сумішшю дозволяє CF залучати бактерії, що спеціалізуються на розпаді лігноцелюлози, покращуючи її розкладання в субстраті порівняно з субстратами без личинок.
Нарешті, щодо корисного використання органічних відходів H. illucens, дієти CEL та SUC виробляли найбільшу кількість личинок на день. Це означає, що незважаючи на нижчу кінцеву вагу окремих особин, загальна вага личинок, вироблена на субстраті, що складається з неперетравлюваного CH, порівнянна з вагою, отриманою на гомосахаридній дієті, що містить моносахариди та дисахариди. У нашому дослідженні важливо відзначити, що рівні інших поживних речовин достатні для підтримки росту популяції личинок і що додавання CEL має бути обмеженим. Однак кінцевий склад личинок відрізняється, що підкреслює важливість вибору правильної стратегії для оцінки комах. Личинки CEL, яких годують цільним кормом, більш підходять для використання як корм для тварин через менший вміст жиру та нижчий рівень лауринової кислоти, тоді як личинки, яких годують дієтами SUC або MAL, потребують знежирення шляхом віджиму для підвищення цінності олії, особливо в біопаливі. сектора. LAC міститься в побічних продуктах молочної промисловості, таких як сироватка від виробництва сиру. Нещодавно його використання (3,5% лактози) покращило кінцеву масу тіла личинок53. Проте контрольна дієта в цьому дослідженні містила половину вмісту ліпідів. Таким чином, антихарчовий ефект LAC міг бути нейтралізований біонакопиченням харчових ліпідів у личинках.
Як показали попередні дослідження, властивості моносахаридів і дисахаридів істотно впливають на ріст BSFL і модулюють його профіль FA. Зокрема, LAC, здається, відіграє антинутритивну роль під час розвитку личинок, обмежуючи доступність CH для харчового поглинання ліпідів, тим самим сприяючи біонакопиченню UFA. У цьому контексті було б цікаво провести біотести з використанням дієт, що поєднують ПНЖК і ЛАК. Крім того, роль мікроорганізмів, особливо роль мікробних метаболітів (таких як SCFA), отриманих у процесі ферментації цукру, залишається темою дослідження, яка заслуговує на дослідження.
Комахи були отримані з колонії BSF Лабораторії функціональної та еволюційної ентомології, створеної в 2017 році в Agro-Bio Tech, Жемблу, Бельгія (додаткову інформацію про методи вирощування див. у Hoc et al. 19). Для експериментальних випробувань 2,0 г яєць BSF випадковим чином збирали щодня з клітин для розведення та інкубували в 2,0 кг 70% вологого корму для курей (Aveve, Левен, Бельгія). Через п'ять днів після вилуплення личинок відокремлювали від субстрату та підраховували вручну для експериментальних цілей. Вимірювали початкову вагу кожної партії. Середня індивідуальна вага становила 7,125 ± 0,41 мг, і середнє значення для кожного лікування показано в додатковій таблиці S2.
Формулювання дієти було адаптовано з дослідження Barragan-Fonseca та ін. 38 . Коротше кажучи, було знайдено компроміс між однаковою якістю корму для курей-личинок, однаковим вмістом сухої речовини (СВ), високим вмістом CH (10% на основі свіжого раціону) і текстурою, оскільки прості цукри та дисахариди не мають текстурних властивостей. Відповідно до інформації виробника (Chicken Feed, AVEVE, Льовен, Бельгія), досліджуваний СН (тобто розчинний цукор) додавали окремо у вигляді автоклавованого водного розчину (15,9%) до раціону, який складався з 16,0% білка, 5,0% загальних ліпідів, 11,9% меленого курячого корму, що складається з золи та 4,8% клітковини. У кожній банці об’ємом 750 мл (17,20 × 11,50 × 6,00 см, AVA, Tempsee, Бельгія) 101,9 г автоклавного розчину CH змішували з 37,8 г корму для курей. Для кожного раціону вміст сухої речовини становив 37,0%, включаючи гомогенний білок (11,7%), гомогенні ліпіди (3,7%) та гомогенні цукри (26,9% доданого CH). Випробуваними CH були глюкоза (GLU), фруктоза (FRU), галактоза (GAL), мальтоза (MAL), сахароза (SUC) і лактоза (LAC). Контрольна дієта складалася з целюлози (CEL), яка вважається неперетравлюваною для личинок H. illucens 38 . Сто 5-денних личинок поміщали в лоток з кришкою з отвором діаметром 1 см посередині і накривали пластиковою москітною сіткою. Кожну дієту повторювали чотири рази.
Масу личинок вимірювали через три дні після початку експерименту. Для кожного вимірювання 20 личинок видаляли з субстрату за допомогою стерильної теплої води та щипців, висушували та зважували (STX223, Ohaus Scout, Парсіппані, США). Після зважування личинки повертали в центр субстрату. Вимірювання проводили регулярно тричі на тиждень до появи першої передлялечки. На цьому етапі зберіть, підрахуйте та зважте всі личинки, як описано раніше. Відокремте личинки стадії 6 (тобто білі личинки, що відповідають личинковій стадії, що передує передлялечковій стадії) і передлялечки (тобто остання личинкова стадія, під час якої личинки BSF стають чорними, припиняють харчуватися та шукають середовище, придатне для метаморфозу) і зберігайте в - 18°C для аналізу складу. Вихід розраховували як відношення загальної маси комах (личинок і передлялечок стадії 6), отриманих на чашку (г), до часу розвитку (d). Усі середні значення в тексті виражені як: середнє ± SD.
Усі подальші етапи з використанням розчинників (гексан (Hex), хлороформ (CHCl3), метанол (MeOH)) виконували під витяжною шафою та вимагали використання нітрилових рукавичок, фартухів і захисних окулярів.
Білі личинки сушили в сублімаційній сушарці FreeZone6 (Labconco Corp., Канзас-Сіті, Міссурі, США) протягом 72 годин, а потім подрібнювали (IKA A10, Staufen, Німеччина). Загальні ліпіди екстрагували з ±1 г порошку за допомогою методу Фолча 54. Залишковий вміст вологи в кожному ліофілізованому зразку визначали в двох примірниках за допомогою аналізатора вологи (MA 150, Sartorius, Göttiggen, Німеччина) для корекції загального вмісту ліпідів.
Загальні ліпіди були переетерифіковані в кислих умовах для отримання метилових ефірів жирних кислот. Коротко, приблизно 10 мг ліпідів/100 мкл розчину CHCl3 (100 мкл) випарювали з азотом у пробірці Pyrex© на 8 мл (SciLabware – DWK Life Sciences, Лондон, Великобританія). Пробірку помістили в розчин Hex (0,5 мл) (PESTINORM®SUPRATRACE n-гексан > 95% для аналізу органічних слідів, VWR Chemicals, Radnor, PA, США) і розчин Hex/MeOH/BF3 (20/25/55) (0,5 мл) на водяній бані при 70 °С протягом 90 хв. Після охолодження додавали 10% водний розчин H2SO4 (0,2 мл) і насичений розчин NaCl (0,5 мл). Перемішайте пробірку та заповніть суміш чистим гексом (8,0 мл). Частину верхньої фази переносили у флакон і аналізували газовою хроматографією з полум'яно-іонізаційним детектором (GC-FID). Зразки аналізували за допомогою Trace GC Ultra (Thermo Scientific, Уолтем, Массачусетс, США), оснащеного інжектором із розділеним/роздільним інжектором (240 °C) у роздільному режимі (розділений потік: 10 мл/хв), колонкою Stabilwax®-DA ( 30 м, внутрішній діаметр 0,25 мм, 0,25 мкм, Restek Corp., Bellefonte, PA, США) і FID (250 °C). Температурну програму встановлювали наступним чином: 50 °C протягом 1 хв, підвищення до 150 °C при 30 °C/хв, підвищення до 240 °C при 4 °C/хв і продовження при 240 °C протягом 5 хв. Hex використовувався як бланк, а для ідентифікації використовувався еталонний стандарт, що містить 37 метилових ефірів жирних кислот (Supelco 37-component FAMEmix, Sigma-Aldrich, Overijse, Бельгія). Ідентифікація ненасичених жирних кислот (НЖК) була підтверджена всебічною двовимірною ГХ (ГХ×ГХ-FID), а наявність ізомерів була точно визначена шляхом незначної адаптації методу Феррари та ін. 55. Деталі приладу можна знайти в додатковій таблиці S3, а результати – у додатковому малюнку S5.
Дані представлені у форматі електронної таблиці Excel (Microsoft Corporation, Redmond, WA, USA). Статистичний аналіз проводили за допомогою R Studio (версія 2023.12.1+402, Бостон, США) 56 . Дані про вагу личинок, час розвитку та продуктивність оцінювали за допомогою лінійної моделі (LM) (команда «lm», пакет R «stats» 56), оскільки вони відповідали розподілу Гауса. Рівень виживання за допомогою аналізу біноміальної моделі оцінювали за допомогою загальної лінійної моделі (GLM) (команда «glm», пакет R «lme4» 57 ). Нормальність і гомоскедастичність були підтверджені за допомогою тесту Шапіро (команда «shapiro.test», R-пакет «stats» 56 ) і аналізу дисперсії даних (команда betadisper, R-пакет «vegan» 58 ). Після попарного аналізу значущих p-значень (p <0,05) з тесту LM або GLM були виявлені значні відмінності між групами за допомогою тесту EMM (команда «emmeans», пакет R «emmeans» 59).
Повні спектри FA порівнювали за допомогою багатовимірного дисперсійного аналізу перестановок (тобто permMANOVA; команда «adonis2», пакет R «vegan» 58) з використанням матриці евклідової відстані та 999 перестановок. Це допомагає ідентифікувати жирні кислоти, на які впливає природа харчових вуглеводів. Значні відмінності в профілях FA були додатково проаналізовані за допомогою попарних порівнянь. Потім дані візуалізували за допомогою аналізу головних компонентів (PCA) (команда «PCA», пакет R «FactoMineR» 60). FA, відповідальна за ці відмінності, була ідентифікована шляхом інтерпретації кореляційних кіл. Ці кандидати були підтверджені за допомогою одностороннього дисперсійного аналізу (ANOVA) (команда «aov», R-пакет «stats» 56) з наступним тестом Тьюкі (команда TukeyHSD, R-пакет «stats» 56). Перед аналізом норму оцінювали за допомогою тесту Шапіро-Вілка, гомоскедастичність перевіряли за допомогою тесту Бартлетта (команда «bartlett.test», R-пакет «stats» 56), а непараметричний метод використовувався, якщо жодне з двох припущень не відповідало. . Аналізи порівнювали (команда “kruskal.test”, R-пакет “stats” 56), а потім застосовували тести Dunn’s post hoc (команда dunn.test, R-пакет “dunn.test” 56).
Остаточна версія рукопису була перевірена за допомогою редактора Grammarly Editor як англійського коректора (Grammarly Inc., Сан-Франциско, Каліфорнія, США) 61 .
Набори даних, згенеровані та проаналізовані під час поточного дослідження, доступні у відповідного автора за розумним запитом.
Kim, SW та ін. Задоволення світового попиту на кормовий білок: проблеми, можливості та стратегії. Annals of Animal Biosciences 7, 221–243 (2019).
Caparros Megido, R. та ін. Огляд стану та перспектив світового виробництва їстівних комах. Ентомол. Буття 44, (2024).
Rehman, K. ur та ін. Чорна солдатська муха (Hermetia illucens) як потенційно інноваційний та екологічно чистий інструмент для управління органічними відходами: короткий огляд. Дослідження управління відходами 41, 81–97 (2023).
Скала А. та ін. Субстрат для вирощування впливає на ріст і статус макроелементів промислово вироблених личинок чорної солдатської мухи. наук. Доповідь 10, 19448 (2020).
Shu, MK та ін. Антимікробні властивості масляних екстрактів з личинок чорної солдатської мухи, вирощених на панірувальних сухарях. Наука про їжу для тварин, 64, (2024).
Шмітт, Е. та де Фріз, В. (2020). Потенційні переваги використання гною чорного солдата як добавки до ґрунту для виробництва продуктів харчування та зменшення впливу на навколишнє середовище. Сучасна думка. Green Sustain. 25, 100335 (2020).
Франко А. та ін. Ліпіди мух чорного солдата — інноваційне та стійке джерело. Сталий розвиток, вип. 13, (2021).
Ван Хуіс, А. Комахи як їжа та корм, нова галузь у сільському господарстві: огляд. J. Корм для комах 6, 27–44 (2020).
Качор М., Булак П., Проць-Петриха К., Кириченко-Бабко М., Бегановський А. Різноманітне використання солдатської мухи в промисловості та сільському господарстві – огляд. Біологія 12, (2023).
Hock, B., Noel, G., Carpentier, J., Francis, F., and Caparros Megido, R. Оптимізація штучного розмноження Hermetia illucens. PLOS ONE 14, (2019).
Час публікації: 25 грудня 2024 р