宋世圣， 周婷， 孫松林， 彭才望

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

自然界中，生物會(huì)進(jìn)化出各種精密且準(zhǔn)確的傳感器以適應(yīng)環(huán)境的變化。光作為最基本的環(huán)境因素之一，具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，可以直接或間接地影響生物體的行為模式[1]。趨光及負(fù)趨光行為是生物體長期進(jìn)化過程中產(chǎn)生的重要生物學(xué)特性，其本質(zhì)是生物體的視覺傳感器在受到光刺激后產(chǎn)生的行為反應(yīng)。目前，圍繞昆蟲的趨光及負(fù)趨光特性相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。YOSHIZAWA等[2]以日本鲺作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)其趨光特性具有獨(dú)特的晝夜節(jié)律。GONG等[3]發(fā)現(xiàn)果蠅幼蟲在1～3齡階段存在負(fù)趨光反應(yīng)，而在3齡至化蛹階段，負(fù)趨光反應(yīng)逐漸減弱。林嘉聰?shù)萚4]討論了不同光質(zhì)及光強(qiáng)下的蚯蚓負(fù)趨光性，為蚯蚓糞分離機(jī)械的研究提供了參考。江幸福等[5]對(duì)草地螟成蟲施加不同單色光及白光的刺激，發(fā)現(xiàn)草地螟成蟲的趨光性隨著日齡的增加而增強(qiáng)。黎柳鋒等[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過人工光照破壞夜間的黑暗環(huán)境，可干擾荔枝蛀蒂蟲成蟲交配和產(chǎn)卵。陳禎等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著光照強(qiáng)度增加，煙薊馬成蟲的趨光性整體呈波狀增強(qiáng)趨勢(shì)。黑水虻是一種雙翅目水虻科昆蟲，其幼蟲可以將有機(jī)廢棄物取食消化為富含有機(jī)質(zhì)和氮的蟲沙，具有繁殖快、轉(zhuǎn)化效率高以及對(duì)人類無害等優(yōu)點(diǎn)，其蟲糞有助于改善土壤理化性質(zhì)并提高作物產(chǎn)量[8]。陳曉瑛等討論了黑水虻幼蟲粉替代魚粉對(duì)黃顙魚幼魚生長發(fā)育的影響。竇永芳[9]等探究了光照對(duì)于黑水虻幼蟲生長發(fā)育的影響。目前，關(guān)于黑水虻幼蟲的避光性已有相關(guān)論述[10]，但對(duì)黑水虻幼蟲在不同光照條件下產(chǎn)生的應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)的探究還未見報(bào)道。

黑水虻幼蟲在投入餐廚垃圾10～12 d后，即可完成資源化處理，進(jìn)入到回收階段。課題組前期設(shè)計(jì)了斗式取料機(jī)及雙向螺旋取料裝置[11-12]，一定程度上可以收集并轉(zhuǎn)運(yùn)黑水虻蟲沙。但是，由于黑水虻蟲沙水分含量跨度大，現(xiàn)有滾筒篩[13]和振動(dòng)篩在實(shí)際分選過程中存在粘篩堵孔的問題，其清潔率受到嚴(yán)重影響。因此，如何提升高含水率蟲沙的分離清潔率是黑水虻蟲沙機(jī)械分離環(huán)節(jié)中亟待解決的問題。目前，光分離法在昆蟲養(yǎng)殖業(yè)的實(shí)際分選中較為常見。TAUSEEF等[14]基于蚯蚓的避光性設(shè)計(jì)了光分離器，利用光源將蚯蚓從蚯蚓-基質(zhì)混合物中驅(qū)趕到單獨(dú)隔間以實(shí)現(xiàn)分離的目的。鄭濤等[15]根據(jù)蠅蛆的負(fù)趨光特性，設(shè)計(jì)了蠅蛆分離機(jī)，可以對(duì)糞料逐層刮除，使得分離率提升明顯。但是，蚯蚓、蠅蛆與黑水虻在生物特性方面還存在較大差異。因此，本研究基于黑水虻幼蟲的負(fù)趨光特性，通過探究不同光源條件下黑水虻幼蟲產(chǎn)生的光驅(qū)避反應(yīng)，量化分析光輔助逐層刮取潔凈蟲沙的分離機(jī)械所需要的重要參數(shù)，即光源條件、不同光照時(shí)間下無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分布特征，為黑水虻蟲沙在光輔助作用下的機(jī)械化分離提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)黑水虻蟲沙取自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)黑水虻科研基地，原料為餐廚垃圾，成分為肉類、青菜、辣椒、土豆、蓮藕、米飯和面條等，由黑水虻幼蟲取食消化10～12 d形成。采用電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)和電子天平(上海梅特勒-托利多儀器有限公司，精度0.1 mg)測(cè)定蟲沙的干基含水率均值為56.3%；利用液態(tài)石蠟測(cè)定法[16]測(cè)得蟲沙的孔隙率在50%～70%之間；黑水虻幼蟲體長18～25 mm，平均體長為22.4 mm；黑水虻幼蟲體寬4～5 mm，平均體寬4.3 mm；每百條黑水虻幼蟲質(zhì)量10～19 g，每百條平均質(zhì)量為14.22 g。

1.2 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，裝置包括長×寬×高尺寸為200 mm×200 mm×300 mm的有機(jī)玻璃箱、亮度可調(diào)的LED燈(12 W，深圳市愛耐特寶科技有限公司)、窄帶濾光片(長春瑞研光電科技有限公司)、數(shù)字照度計(jì)(精度0～100 000 lx，蘇州特安斯電子有限公司)、數(shù)顯溫度濕度傳感器(溫度-50～110 ℃，濕度1%～99%，深圳市信泰微電子科技有限公司)。所選光質(zhì)分別為紅光(660 nm)、黃光(580 nm)、綠光(520 nm)、藍(lán)光(440 nm)以及白光(全光譜)，各單色光由各窄帶濾光片濾光得到。

1.LED燈；2.濾光片；3.標(biāo)尺；4.黑水虻蟲沙；5.遮光板；6.溫度濕度傳感器1；7.溫度濕度傳感器2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同光源條件的影響 為排除其他自然光源對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)在凌晨1:00進(jìn)行，室內(nèi)環(huán)境溫度20.5～21.3 ℃，有機(jī)玻璃箱內(nèi)部蟲沙溫度20.8～21.4 ℃，無噪音干擾。試驗(yàn)裝置內(nèi)經(jīng)黑水虻生物轉(zhuǎn)化后的餐廚垃圾厚度為150 mm，光源與蟲沙表層距離250 mm。在蟲沙表層利用數(shù)字照度計(jì)測(cè)量光照強(qiáng)度并調(diào)節(jié)光源亮度，每組試驗(yàn)重復(fù)4次，每次試驗(yàn)后更換黑水虻幼蟲，以減小同一批黑水虻幼蟲帶來的誤差。溫度濕度傳感器1的探頭設(shè)置在距黑水虻蟲沙表層15 mm處，溫度濕度傳感器2的探頭設(shè)置在距黑水虻蟲沙底部50 mm處，每30 s記錄1次，共光照5 min。

篩選使黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大的光照強(qiáng)度和光質(zhì)。隨機(jī)取50頭黑水虻幼蟲均勻置于蟲沙表面并利用秒表開始計(jì)時(shí)。由于黑水虻在實(shí)際生物轉(zhuǎn)化有機(jī)固體廢物時(shí)會(huì)因各種外部原因?qū)е律倭坑紫x的死亡[17-18]，因此在90%黑水虻幼蟲從表面消失時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，測(cè)得黑水虻幼蟲在不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下的消失時(shí)間。當(dāng)90%的黑水虻幼蟲從蟲沙表面消失5 min后，使用刮板在蟲沙表面進(jìn)行刮料，蟲沙原本高度值與刮板刮到第一條黑水虻幼蟲時(shí)蟲沙高度值差值為蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度。綜合比較黑水虻幼蟲在不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下的消失時(shí)間及蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度，得到黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最明顯的光照強(qiáng)度和光質(zhì)。

考察自然光源與人工光源對(duì)黑水虻幼蟲的負(fù)趨光反應(yīng)影響。將室外太陽光、室內(nèi)自然光和180 lx白光3種光源下黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為進(jìn)行對(duì)比。于2021-11-23中午12:00將試驗(yàn)裝置移到室外空地，去除LED燈及濾光片，使太陽光直射蟲沙表面，利用電子照度計(jì)測(cè)得蟲沙表面的光照強(qiáng)度，記錄該光照條件下黑水虻幼蟲在蟲沙表層的消失時(shí)間及產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度。將試驗(yàn)裝置移至室內(nèi)，使室內(nèi)自然光直射蟲沙表面，試驗(yàn)方法同上。其中，室外太陽光80 000 lx，溫度15.1～16.0 ℃；室內(nèi)自然光300 lx，溫度20.2～21.0 ℃。

1.3.2 光照時(shí)間的影響 選擇使黑水虻幼蟲產(chǎn)生應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大的光照強(qiáng)度和光質(zhì)，在此條件下，自90%黑水虻從表層消失起開始計(jì)時(shí)，分別在光照1、2、3、4、5、6 min后利用刮板刮取，得出黑水虻幼蟲應(yīng)激驅(qū)避反應(yīng)最大光源條件下蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度與光照時(shí)間的關(guān)系，篩選最佳光照時(shí)間。

1.3.3 頭囊寬的影響 在篩選后的光源條件及光照時(shí)間下，選取不同頭囊寬的黑水虻幼蟲進(jìn)行試驗(yàn)，均值分別為0.89、0.94、1.00、1.05、1.10 mm，試驗(yàn)方法同1.3.1，探究不同頭囊寬的黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為反應(yīng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)采用SPSS 26.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Duncan’s顯著性分析(P<0.05差異顯著)，利用Origin 2017繪制圖線并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光源條件對(duì)黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為的影響

2.1.1 光照強(qiáng)度和光質(zhì)對(duì)黑水虻幼蟲在蟲沙表面消失時(shí)間的影響 如表1所示，除紅光外，在各光質(zhì)不變的條件下隨著光照強(qiáng)度的增大，黑水虻幼蟲消失時(shí)間均減小，且存在一定差異性。在紅光條件下，黑水虻幼蟲的消失時(shí)間與其他4種光質(zhì)存在顯著差異。在5種光照強(qiáng)度下，紅光的黑水虻幼蟲消失時(shí)間均在100 s以上，說明黑水虻幼蟲對(duì)于紅光的敏感性較差。黃光與藍(lán)光的黑水虻幼蟲消失時(shí)間在除150 lx光照強(qiáng)度下均無顯著差異，表明二者對(duì)黑水虻幼蟲的刺激作用比較相似。白光的黑水虻幼蟲消失時(shí)間相較于其他4種單色光差異顯著，且在180 lx的光照強(qiáng)度下消失時(shí)間最短，為40 s，說明黑水虻幼蟲對(duì)于白光的負(fù)趨光敏感性最大。按各光質(zhì)條件下黑水虻幼蟲的消失時(shí)間排序?yàn)榘坠?綠光<黃光<藍(lán)光<紅光。

表1 不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下黑水虻幼蟲在蟲沙表面消失時(shí)間Table 1 Disappearance time of black soldier fly larvae on the surface of frass under different light intensity and light quality s

2.1.2 光照度和光質(zhì)對(duì)無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的影響 堆體表面一定深度存在著光照，黑水虻幼蟲在光源條件的刺激下，會(huì)鉆向蟲沙深處，因此會(huì)在蟲沙表層產(chǎn)生一定厚度的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層。如表2所示，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，紅光在5種光照度條件下與其他4種光源均具有顯著差異，且無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較小，僅有3 mm，因此紅光不適合用做黑水虻蟲沙分離的輔助光源。黃光與藍(lán)光在5種光照強(qiáng)度下，產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層均無顯著差異，且黃光與藍(lán)光對(duì)于黑水虻幼蟲的刺激作用比較相似，因此在黑水虻幼蟲的飼養(yǎng)環(huán)節(jié)中，若使用到黃光或藍(lán)光，2種光源可相互代替。在綠光刺激下，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較大，且隨著光照度的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度存在顯著差異，說明黑水虻幼蟲對(duì)于綠光的敏感性較強(qiáng)。當(dāng)光照度在150 lx及以上時(shí)，白光與綠光對(duì)無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的影響具有顯著差異，說明黑水虻幼蟲對(duì)于全光譜白光的敏感性最強(qiáng)。相較于綠光而言，白光具有方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在日常進(jìn)行黑水虻蟲沙分離時(shí)，可采用180 lx白光作為輔助光源對(duì)黑水虻蟲沙進(jìn)行照射。

表2 不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)下無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度

2.1.3 自然光源與人工光源下黑水虻幼蟲的負(fù)趨光反應(yīng)對(duì)比 將室外太陽光、室內(nèi)自然光和180 lx白光3種光源下的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。室外太陽光與另外2種光源存在顯著差異。室外太陽光的黑水虻幼蟲在表面消失時(shí)間較短，同時(shí)在消失5 min后產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度較大。而室內(nèi)自然光與180 lx白光之間無顯著差異。在上述差異基礎(chǔ)上，記錄蟲沙內(nèi)部溫度和濕度變化如圖3。室外太陽光的蟲沙表面溫度逐漸升高，底部溫度保持穩(wěn)定，表面與底部之間溫度差隨光照時(shí)間增加而增大，其余2種光源的蟲沙內(nèi)部溫度始終保持穩(wěn)定，且3種光源的蟲沙內(nèi)部濕度變化較相似，因此蟲沙內(nèi)部溫度差異可能影響黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為。因此，自然光也適合用作光分離機(jī)械的輔助光源。

2.2 光照時(shí)間與蟲沙表層無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的關(guān)系

如圖4所示，在180 lx白光照射下，光照時(shí)間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的擬合曲線擬合程度良好，光照時(shí)間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度呈三次函數(shù)關(guān)系：f(x)=-0.18x3+1.9x2-2.5x+0.96(R2=0.99)。隨著光照時(shí)間的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度呈上升趨勢(shì)，說明隨著光照時(shí)間的增加，黑水虻幼蟲在光照作用下鉆入蟲沙深度越深。在光照時(shí)間為1～2 min時(shí)，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度增加較平緩；在光照時(shí)間為2～5 min時(shí)，隨著時(shí)間的增加，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度增加趨勢(shì)較陡；在5 min之后，無黑水虻幼蟲的蟲沙層厚度增加趨勢(shì)再次趨于平緩。這可能是因?yàn)?80 lx的白光透過蟲沙14 mm深度時(shí)，光線變得極其微弱，光照對(duì)于黑水虻幼蟲的影響可忽略不計(jì)。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)光輔助分離機(jī)械時(shí)，可以每光照5 min進(jìn)行1次15 mm深度的刮料。

大寫字母表示厚度之間差異顯著(P<0.05)，小寫字母表示時(shí)間之間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同頭囊寬黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為

黑水虻幼蟲在投入餐廚垃圾10～12 d時(shí)，即可進(jìn)行回收處理[19]，此時(shí)已進(jìn)入其第五和第六齡期。不同齡期的黑水虻幼蟲對(duì)光線的敏感性不同，而頭囊寬又是識(shí)別黑水虻幼蟲齡期的重要方法[20]。因此，探究不同頭囊寬的黑水虻幼蟲對(duì)光源的反應(yīng)，為黑水虻蟲沙的光輔助機(jī)械分離提供一定依據(jù)。在180 lx白光條件下，對(duì)均值為0.89、0.94、1.0、1.05、1.10 mm 5種尺寸頭囊寬的黑水虻幼蟲進(jìn)行消失時(shí)間及無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分析。由圖5可知，隨著頭囊寬的增加，黑水虻幼蟲的負(fù)趨光性逐漸減弱，在表層消失時(shí)間變長，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度減小。其中，頭囊寬為0.89 mm的黑水虻幼蟲與1.10 mm的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為存在顯著差異，負(fù)趨光性明顯變?nèi)?。因此，在使用光分離機(jī)械分選黑水虻蟲沙時(shí)，頭囊寬較小的黑水虻幼蟲所占總數(shù)比例越大，分離效果越好。

3 結(jié)論與討論

光在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景極為廣闊[21]。本研究圍繞光源條件、時(shí)間對(duì)黑水虻幼蟲的驅(qū)避作用及無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的分布特征進(jìn)行討論，量化分析了光輔助機(jī)械分離過程中所需的重要工作參數(shù)。通過觀察不同光源條件下黑水虻幼蟲的負(fù)趨光行為，本研究證明黑水虻幼蟲對(duì)不同光質(zhì)均存在一定的負(fù)趨光反應(yīng)。其中，黑水虻幼蟲對(duì)紅光的敏感性較差，因此紅光不適合用作光分離機(jī)械的輔助光源。黑水虻幼蟲對(duì)全光譜白光產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)最大，在蟲沙表層最短消失時(shí)間為40 s，產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度可達(dá)15 mm，推測(cè)是因?yàn)槿庾V白光中存在一定的紅外光譜，在輻射蟲沙表面時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，使蟲沙表面溫度迅速升高。在光熱協(xié)同作用下，黑水虻幼蟲產(chǎn)生了強(qiáng)烈的應(yīng)激避光反應(yīng)。通過觀察自然光源與人工光源下的黑水虻幼蟲負(fù)趨光行為，發(fā)現(xiàn)室外太陽光環(huán)境下產(chǎn)生的凈蟲沙層厚度較大，與室內(nèi)自然光和180 lx白光差異顯著，推測(cè)有2個(gè)方面的原因。一是黑水虻蟲沙作為介質(zhì)對(duì)光有吸收作用，光線進(jìn)入蟲沙內(nèi)部后，一部分光能被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或熱能；二是太陽光中的紅外光譜使蟲沙表層溫度迅速升高，且在光照度越大時(shí)，黑水虻幼蟲產(chǎn)生的熱應(yīng)激反應(yīng)越大，而由于蟲沙底部光線透射較少，溫度保持較穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度較大。

圖3 黑水虻蟲沙內(nèi)部溫度和濕度變化

圖4 光照時(shí)間與無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度的擬合關(guān)系

在180 lx白光的作用下，無黑水虻幼蟲的凈蟲沙層厚度與光照時(shí)間呈三次函數(shù)關(guān)系，這是由于光在照射蟲沙堆體時(shí)，光線經(jīng)投射及反射在堆體內(nèi)部逐漸減弱，對(duì)距蟲沙表層一定距離的黑水虻幼蟲影響較小。不同頭囊寬尺寸的黑水虻負(fù)趨光行為試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著黑水虻幼蟲頭囊寬的增加，負(fù)趨光性逐漸減弱。這種幼蟲負(fù)趨光而成蟲趨光的特性已有報(bào)道。XIANG等[22]發(fā)現(xiàn)果蠅幼蟲存在負(fù)趨光性而成蟲具有趨光性，這是因?yàn)楣壞X中具有2對(duì)神經(jīng)元對(duì)2種行為偏好進(jìn)行控制。如果在果蠅幼蟲腦中對(duì)該神經(jīng)元的活性進(jìn)行抑制，即使是負(fù)趨光的幼蟲也會(huì)變得趨光；而如果激活這2對(duì)神經(jīng)元的活性，即便是趨光的果蠅成蟲也會(huì)有負(fù)趨光反應(yīng)。

圖5 不同頭囊寬的黑水虻負(fù)趨光行為

綜合比較試驗(yàn)結(jié)果，自然光與白光適合作為黑水虻蟲沙光輔助機(jī)械化分離的光源。在該光源條件下，機(jī)械化定時(shí)、定量逐層刮取光照下的黑水虻蟲沙，不僅可以得到清潔率較高的干凈肥料，還能節(jié)省勞動(dòng)力。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)機(jī)械化分離，光輔助機(jī)械化分離黑水虻蟲沙具有不受物料水分限制、縮短分離回收時(shí)間以及減少黑水虻幼蟲機(jī)械損傷的優(yōu)勢(shì)。