キチン質の Hermetia illucens 廃棄物から得られる新しいタイプのバイオ炭

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8306 (2023) この記事を引用

439 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

昆虫の繁殖により、昆虫の排泄物や飼料残渣の形で廃棄物が発生します。 さらに、昆虫の幼虫や蛹の抜け殻の形の特定のキチン質の廃棄物も残ります。 最近の研究では、付加価値のある製品であるキチンやキトサンを生産するなどして、これを管理しようとしています。 循環経済アプローチでは、独自の特性を持つ製品を開発できる、新しい非標準的な管理方法をテストする必要があります。 現在まで、昆虫由来のキチン質廃棄物からのバイオ炭生産の可能性は評価されていません。 今回我々は、Hermetia illucens の蛹がバイオ炭の生産に適しており、それが独自の特性を示すことを示します。 私たちは、バイオ炭が高い窒素レベルを持っていることを発見しました。これは、人工ドーピングなしでは天然由来の材料ではほとんど達成できません。 この研究は、バイオ炭の詳細な化学的および物理的特性を示しています。 さらに、生態毒性学的分析により、植物の根の成長と土壌無脊椎動物フォルソミア カンジダの繁殖に対するバイオ炭の刺激効果、およびその死亡率に対する毒性効果がないことが明らかになりました。 これにより、すでに組み込まれた刺激特性を備えたこれらの新規材料が、たとえば肥料や有益な細菌の担体として農学で使用される傾向にあります。

近年、特に昆虫が伝統的に食べられていない地域で、飼料や食料生産のための昆虫の産業利用が増加しています1。 ヨーロッパでは、欧州委員会規則 (EU) 2017/893 の発効に伴い、欧州連合は初めて水産養殖動物飼料の生産に昆虫および昆虫タンパク質を使用することを許可しました。 上記の規制に定められた安全要件を満たす昆虫種には、Achetadomesticus（リンネ、1758年）、Alphitobius diaperinus（Panzer、1797年）、Gryllodes sigillatus（Walker、1869年）、Gryllus assimilis（ファブリキウス、1775年）、Hermetia illucens（リンネ）が含まれます。 、1758）、Muscadomestica（リンネ、1758）およびTenebrio molitor（リンネ、1758）2。 その後の 2 回の EU 委員会規則の施行により、トナカイ (Linnaeus、1758)3 と T. molitor4 がヒト用の新規食品として承認されました。 現在では、A. ドメスティクスと A. diaperinus も許可されています。

この法改正により、昆虫の生産に基づいた食品および飼料産業の新しい部門の迅速な開発が促進されます。 昆虫の排泄物と飼料の残骸（昆虫の死骸が含まれることが多い）は、食料生産における昆虫の使用が増加するにつれて、より大量に生成されることになります。 これらの廃棄物は通常、植物肥料として販売されており 5、バイオガス生成の基質としても使用できます 6,7。 完全代謝昆虫はまた、キチン質のタイプの廃棄物、つまり蛹の外骨格である蛹、蛹脱皮とも呼ばれます。 この廃棄物は昆虫の成体が出現した後も残ります。 通常、蛹は他のすべての生産後の廃棄物と一緒に廃棄されるか、発育の若い段階で昆虫に食べられます（H. illucens の繁殖経験に基づく）。 ただし、特定の種類の昆虫の飼育システムによっては、それらを簡単に収集できる場合もあります。 これは、繁殖中に大量の蛹が生成される H. illucens の場合に当てはまります。 この種の廃棄物がキチン生産に有用であるという兆候があります8。

まだ研究されていないもう 1 つの可能性は、バイオ炭の生産におけるサナギの使用であり、これはこの種の廃棄物を有価物化する新しい方法とみなされる可能性があります。 バイオ炭またはバイオカーボンは、植物材料またはバイオ廃棄物（下水汚泥またはバイオガス残留物）などの有機物の熱分解（熱分解）によって生成されます9。 バイオ炭は化学プロセスや工業プロセスで吸着剤として使用でき、植物の成長だけでなく土壌炭素隔離、温室効果ガス (GHG) 排出、水と空気の状態に影響を与える土壌改良剤としても機能します10。

H. illucens (ブラック ソルジャー バエ、BSF) は、北半球と南半球に生息する双翅目 (Stratiomyidae) の昆虫です。 近年、その興味深い性質と多様な用途により、この昆虫への関心が高まっています。 これは、アントモアメディエーション 11、12、13、14、15 と呼ばれるプロセスで、さまざまな廃棄有機物の利用と洗浄に使用できます。 研究 16、17、18、19 では、バイオディーゼル生産だけでなく、他の動物の飼料としても使用でき、新しい抗菌化合物の供給源として機能する可能性があることが示されています 20。

私たちの知る限り、バイオ炭の生産における昆虫由来のキチン質廃棄物の利用について論じた出版物はありません。 最近、Zazycki らによって、単離されたエビキチンからのバイオ炭の生成と色素吸収剤としての応用が研究されました 21。 良好な脱色特性を示すにもかかわらず、キチンからのバイオ炭の製造には、コストや環境への影響 (キチンの抽出中に強力な化学薬品が使用される) などの根本的な欠点があります。 H.illucens の蛹にはキチンが含まれており、そこから直接バイオ炭を生成すると抽出コストが最小限に抑えられ、理論的にはキチンの正の収着特性を維持してバイオ炭に移すことが可能になります。 さらに、これはキチン質廃棄物を管理する新しい方法を示しており、市場で入手可能な海洋資源からの純粋なキチンのプールを減らすことはなく、代わりに、より価値のある製品（例えば、キチン創傷包帯）の開発に使用されるべきである22。 人間による海洋資源の積極的な管理（乱獲）とその壊滅的な汚染を考慮すると、事前にキチンを抽出することなく、キチン質の昆虫の廃棄物をバイオ炭製造に直接利用することは、キチン質の昆虫の廃棄物よりも環境に優しいものとなるはずです。オキアミやエビの部分。

ここでは、キチン質の昆虫廃棄物、つまり H. イルセンスの蛹に由来するバイオ炭を生成し、特性評価しました。 物理化学的特性に加えて、バイオ炭に潜在的に発生する汚染物質 (重金属および多環芳香族炭化水素 (PAH)) の含有量とバイオ炭の毒性の詳細な分析が、さまざまな生物試験 (トビムシ繁殖試験) を使用して評価されました。 、フィトトックスキット、マイクロトックス）。

H.illucens の蛹からの蛹が、バイオ炭生産用の昆虫材料として選択されました。 H.illucens 幼虫は、ルブリン (ポーランド) にあるポーランド科学アカデミー農業物理学研究所の研究室で、プレキシガラス製の容器 (86 cm × 53 cm × 46 cm) 内で集団で飼育されました。 容器内の幼虫の数は 1500 ～ 2000 匹の範囲でした。 培養条件は、温度 27 ± 1 °C、基質湿度 50 ～ 80%、暗闇で行いました。 幼虫はココナッツ繊維で成長し、次の組成の市販のコイ魚（製造者：FloraZoo、Chełmża、ポーランド）の飼料を与えました：炭水化物54.80％、タンパク質25.00％、脂肪および油5.00％、粗繊維5.80％、灰分5.70％、 1.25% リジン、1.00% カルシウム、0.97% リン、および 0.40% メチオニン (パーセンテージは乾燥重量 (DW) に基づいて示されています)。 これらの条件では、幼虫は 16 日後に蛹に変化しました。 蛹は変態するための乾燥した場所を探してこの容器から這い出し、収集されて昆虫館に移され、そこでハエが羽化しました。 さらにバイオ炭を生産するために、H.illucens の繁殖からの蛹を精製段階を行わずにそのまま採取しました。 精製段階のスキップは、蛹が基質でわずかに汚染されていただけであるという事実に関連しており、熱分解前の追加の処理を省略することは経済的に有利である可能性があります。

熱分解は、ガスを供給して改造実験室炉 (L15/12、LAC、チェコ共和国) で実行されました。 風乾した蛹を石英管に入れ、炉に挿入した。 加熱を開始する前に、炉内の空気を、発生器（Zefiro 5HP、Cinel、ポルトガル）から5 l min-1の流量で窒素（純度99.99999％）を1時間吹き込むことによって置換した。 蛹は、500 °C、600 °C、700 °C の 3 つの温度で 30 分間熱分解されました。 窒素流は熱分解プロセス中一定であった。 炉内の温度が周囲温度と等しくなり、サンプルが冷えたら、窒素の流れを止め、バイオ炭を炉から取り出した。 バイオ炭には H500、H600、または H700 というラベルが付けられました。 図 1 は、元の材料と生成されたバイオ炭の構造的特徴を示しています。 すべての温度で生成された H. illucens からのバイオ炭は、蛹の巨視的構造を保持していました。

Hermetia illucens puparia の外観とそこから得られるバイオ炭。

バイオ炭の pH は、サンプルを 300 rpm で 1.5 時間振盪した後、蒸留水中で 1:20 (w/v) の比率で測定されました (HD40d multi、HACH、コロラド州、米国)。 サンプルの DW は、105 °C で 24 時間乾燥した後に測定されました。 サンプルをマッフルオーブンで 550 °C で 2 時間燃焼させた後、揮発性固体 (VS) と灰分を分析しました。 ポロシメトリー分析は、Micromeritics Accelerated Surface Area and Porosimetry System (ASAP 2420) 分析装置 (Norcross, GA, USA) を使用して実行されました。 ガラス管内で 0.005 mm Hg の安定した圧力に達するまで、サンプルを 200 °C で脱気しました。 次に、吸着曲線を形成するように事前にプログラムおよび設計された測定点に従って、特定の P/Po 圧力が得られるまで、液体窒素中に気体窒素を注入 (吸着) させました。 脱着中に、分析サンプルの細孔に導入された窒素は、ガラス管内の圧力を下げることによって除去されました。 バイオ炭の比表面積 (SSA) は、Brunauer-Emmett-Teller (BET) 方程式 (多層吸着) に基づいて計算されました。 動的重量水分収着は、Dynamic Vapor Sorption (DVS) Intrinsic Analyzer (SMS、英国) によって 20 °C で測定されました。 C、H、および N の含有量は、CHN 2004 分析装置 (Perkin Elmer、米国) で測定されました。 総 O 含有量は、次のように減算によって決定されました 23:

総 S 含有量は、ICP-OES 分析によって決定されました (詳細は以下を参照)。 サンプルのフーリエ変換赤外分光法 (FT-IR) スペクトルは、ダイヤモンド減衰全反射率 (ATR) を備えた Nicolet 6700A FT-IR 分光計 (Thermo Scientific) を使用して記録しました。 吸光度値は 400 ～ 4000 cm-1 の間で評価されました。 各スペクトルは、1 回の複製で 128 回のスキャンから得られました。 スペクトルは、SpectraGryph 1.2 ソフトウェア (Dr Friedrich Menges、ドイツ) を使用して 5 回の複製 24 から平均化されました。

サンプルの表面形態の走査型電子顕微鏡 (SEM) は、Carl Zeiss AG Ultra Plus (ドイツ、オーバーコッヘン) を使用して、コーティングなしで 150 倍から 50,000 倍の倍率で撮影されました。 顕微鏡写真は、高真空二次電子検出技術を使用して作成されました。 エネルギー分散型 X 線分光法 (EDX) 写真は、SEM に搭載されたエネルギー分散型分光法 (EDS) 検出器 (Brucker、米国マサチューセッツ州ビレリカ) を使用して達成されました。解像度は 123 eV、ビーム エネルギーは 20 kV でした。 サンプルのスキャン時間は 300 秒 (リアルタイム) でした。

バイオ炭の X 線回折 (XRD) パターンは、40 kV および 25 mA で動作する Empyrean 装置 (Malvern PANalytical、英国) を使用して Co Kα 放射線 (λ = 1.78901 nm) で分析されました。 ニッケルフィルターを利用して、入射ビーム上の Kβ Co X 線を吸収しました。 回折パターンは、0.008° s-1 の走査速度、0.02° 2θ ステップ サイズ、および 1 ステップあたり 2.5 秒の時間で記録されました。

バイオ炭サンプルの石灰化は、HNO3 + HCl (3:1 + 2 ml HF/サンプルの割合) の溶液中で実行されました。 元素含有量は、Bulak et al.25 に従って、誘導結合プラズマ発光分光法 (ICP-OES) システム (Thermo Scientific iCAP シリーズ 6500) を使用して測定されました。 元素の測定には次の波長 (nm) が使用されました: Al 396.152、As 189.042、Ba 493.409、Be 265.045、Ca 184.006、Cd 226.502、Co 228.616、Cr 267.716、Cu 324.754、Fe 261.187、Ga 41 7.206、Hg 184.950、 K 766.490、Li 670.784、Mg 285.213、Mn 259.373、Mo 204.598、Na 589.592、Ni 231.604、P 178.284、Pb 220.353、S 180.731、Sc 361.384、Se 196.09 0、Sr 421.552、V 310.230、Zn 206.200。 Y の内部標準を 5 ppm の濃度で各サンプルに添加しました。

Ni2+、Cd2+、および Pb2+ の原液は、Ni(NO3)2・6H2O、Cd(NO3)2・4H2O、および Pb(NO3)2 を脱イオン水 (HLP10、Hydrolab、ポーランド) に溶解することによって調製しました。 HNO3 または NaOH を使用して、最終溶液の pH 5 を調整しました。 最終溶液中の金属イオンの濃度は 100 mg l-1 でした。 試験した各バイオ炭サンプル (100 mg) を各金属イオン溶液 10 ml と混合し、室温 (22 ± 2 °C) で 250 rpm で 24 時間撹拌しました。 次に、12,000 rpm で 5 分間遠心分離することにより、バイオ炭をバックグラウンド溶液から分離しました26。 バックグラウンド溶液中の金属含有量は、ICP-OES (Thermo Scientific iCAP シリーズ 6500) で測定されました。

自由に溶解した (Cfree) PAH 含有量は、水懸濁液中で測定されました 27。 乳鉢と乳棒で粉砕したバイオ炭（DW）1グラムを、0.35 gのポリオキシメチレン（POM）および40 mlのMilli-Q水（殺生剤として0.2 gl−1 NaN3を使用）とともにガラスフラスコ（50 ml）中で振盪した。 28日後、POMストリップを溶液から取り出し、ティッシュペーパーで拭き取り、ヘプタン:アセトン(20ml、4:1、v/v)を使用して水平振盪(48時間)により抽出した。 抽出前に、イソオクタン中の重水素化 16 PAH (それぞれ 180 ng、内部標準) を加えました。 有機相（ＰＯＭ抽出後）２０ｍｌのアリコートを回転真空濃縮器（ＲＶＣ ２－２５ＣＤ ｐｌｕｓ、Ｍａｒｔｉｎ Ｃｒｉｓｔ、ドイツ）で１ｍｌまで蒸発させた。 抽出物をガスクロマトグラフィー (GC) バイアルに移し、ガスクロマトグラフィー - 質量分析 (GC-MS) で分析しました。

有機溶媒で抽出可能な PAH 含有量 (Ctot) の測定には、トルエン (125 ml) を使用したソックスレー法によるサンプルの 160 °C で 24 時間の抽出 (サンプル重量 1 g DW)、その後の洗浄が含まれます。ブレンドリらによって記載されているように、ジメチルホルムアミド (DMF)/ヘキサンを使用して抽出物を濃縮します28。 再収集した相を縮小し、ガラスウール、不活性化シリカゲル (10% ミリ Q 水、3 cm) を (下から上に) 満たした開いたマイクロガラスカラム (150 mm × 内径 7 mm) に適用しました。 ５ｍｌのヘプタンで予め洗浄した、水を含まない硫酸ナトリウム。 抽出物を１０ｍｌのヘプタンで溶出した。 回転真空濃縮器を用いて、溶出液を０．５ｍｌの体積まで濃縮した。 PAH-Mix 9 重水素化標準 (シクロヘキサン中の各成分 100 ng μl-1) を Dr. Ehrenstorfer GmbH (アウグスブルク、ドイツ) から入手し、既知の濃度の内部標準混合溶液の調製に利用しました。 内部標準は、抽出前に各サンプルに添加されました。

最終濃縮抽出物をガスクロマトグラフ (Trace 1300) 質量分析 (ISQ LT) (GC-MS、Thermo Scientific) で分析しました。 Restek (米国) の Rxi®-5 ms Crossbond® 5% ジフェニルおよび 95% ジメチルポリシロキサン融合キャピラリー カラム (30 m × 0.25 mm ID × 0.25 μm 膜厚) を、一定の流量でキャリア ガスとしてヘリウムとともに使用しました。 1 ml min−1 の流量。 GC オーブンの温度は、75 °C (保持時間 0.5 分) から 25 °C・min-1 で 245 °C まで上昇し、その後 4 °C・min-1 (保持時間 1 分) で 300 °C まで上昇するようにプログラムされました。 。 インジェクターと検出器の温度は 310 °C でした。 質量スペクトルは電子イオン化モードで取得され、選択イオンモニタリング (SIM) モードは個々の PAH に対して選択的な分子イオンを使用して実行されました。 個々の PAH に応じた定量限界 (LOQ) は、PAH 濃度で 0.0002 ～ 0.3110 ng l-1 (Cfree)、および 0.1 ～ 0.7 μg kg-1 (Ctot) の範囲であり、検出限界 (LOD) の 3 倍から得られました。 ）。

トビムシ カンジダの検査は、経済協力開発機構 (OECD) 232 の方法に従って実施されました。 試験のエンドポイントは、F. カンジダの死亡率と増殖でした。 同期培養から収集したランダムに選択された 10 個体（生後 10 ～ 12 日）を、30 g の土壌サンプルが入った試験容器に入れました。 試験中、微生物には容器あたり 10 mg の量の乾燥酵母が与えられました。 試験容器は、温度 20 ± 1 °C、照度 400 ～ 800 ルクス、光周期 16/8 (昼/夜) でインキュベートされました。 土壌水分は、保水力 40 ～ 60% に設定され、週に 1 回監視されました。 試験は試験サンプルごとに 3 回繰り返して実行されました。 28 日後、個体を試験容器から分離し、成人個体と幼個体の数を測定しました。 微生物はデジタルカメラで撮影した写真に基づいて手動で数えられました。

Lepidium sativum 植物に対するサンプルの影響を評価するために、Phytotoxkit テストが実行されました。 評価パラメーターは、固相および水相でバイオ炭に 3 日間曝露した後の根の成長阻害でした。 液相は、EN 12457-2 プロトコル 29 に従って調製されました。 土壌サンプルを脱イオン水と 1:10 (w:v、土壌:水) の比率で混合し、その後ロータリーシェーカーで 10 rpm で振盪しました。 得られた抽出物を多孔度 0.45 μm のフィルターで濾過し、得られた溶液をさらなる試験に使用しました。

Aliivibrio fischeri に対する抽出物の毒性の評価は、Microtox M500 分析装置を使用した Microtox® テストに基づいて行われました。 発光阻害は、抽出物を A. fischeri に 15 分間曝露した後に測定されました。 Microtox Omni ソフトウェアを使用して結果を分析しました。 バイオアッセイは 6 回繰り返して実行されました。 分析と長さの測定は、Image Tool 3.0 ソフトウェアを使用して実行されました。

すべての分析は少なくとも 3 回の反復で実行されました。 各値は平均値±SD (n = 3) を表します。 分散分析 (ANOVA) および事後 Tukey 検定 (Statistica 13.1) を実行して、比較した平均値間の差の有意性 (p < 0.05) を評価しました。

物理化学的特性を表 1 に示します。H500 と H700 の pH は非常に似ていましたが、H600 の値は著しく低かったです。 バイオ炭の pH はほとんどが塩基性でした。 調査したバイオ炭間の DW の差は有意ではなく、約 95 ± 0.3% でした。 灰分は温度とともに増加した。 これらの変化は有意であり (p < 0.05; H600 を除く)、原料よりも 2.9 ～ 3.5 倍高かった。

水蒸気によって測定された SSA は、H500 で最も高く、H700 で最も低かった (表 1)。 対照的に、N2 吸着によって測定された BET SSA は、2 ～ 12 m2 g-1 の範囲で低い SSA 値を示し、温度に対する線形依存性はありませんでした (SSA は H600 で最高でした)。 H600 の細孔幅が最も小さく、H500 が最も大きく、H700 がその中間でした (表 1)。

H500、H600、H700 の C、H、N、O、S の含有量は、それぞれ 40.635 ～ 45.505%、1.675 ～ 0.825%、7.235 ～ 5.600%、13.277 ～ 3.521%、0.685 ～ 0.790% の範囲でした（表1)。 H/C 比は温度が高くなると大幅に減少しました。 さらに、O/C 比も減少しました (p < 0.05) (表 1)。

図 2A は、バイオ炭について得られた水蒸気の吸着・脱着等温線を示しています。 等温線は IVa 型 (国際純粋応用化学連合、IUPAC による) に匹敵しましたが、より高い水蒸気圧でのプラトーは観察されませんでした 30。これは、N2 収着から得られた洞察からのより詳細な情報によって裏付けられました。 ヒステリシス ループの形状は、材料の表面に小さなスリットが存在することを示していました 30。 図 2A は、非常に均一なメソ細孔の存在も示唆しています。

Hermetia illucens puparia から得られたバイオ炭の吸着脱着等温線: (A) 水蒸気および (B) 窒素ガス。

N2 の吸脱着曲線の経過は、IV 型吸着 (IUPAC 分類) (図 2B) に似ており、すべての場合のヒステリシスは H3 型に最も類似していました。 急激なステップダウン閾値が 0.4 ～ 0.5 P/Po で発生しました。

図 3A ～ C は、蛹の SEM 画像を示しています。 蛹の内側は不規則な細胞によって特徴付けられました (図 3B)。 外側からは毛の存在が観察できます (図 3C)。 熱分解後、蜂の巣構造に似た蛹構築細胞の隠れた組織が見えるようになります (図 3D–F)。 倍率 10,000 倍 (図 3G-I) で、細孔の詳細を観察できます。 H500 の表面は滑らかで細孔は見られませんでしたが、ハニカム構造の中央のくぼみは灰 (明るい物質) で埋められていました (図 3G)。 H600 は、さまざまな細孔サイズを持つよく発達した多孔質構造を持っていました (図 3H)。 Ｈ７００は、表面にしわが強く、毛穴がはっきりと見えなかった。 20,000 倍および 50,000 倍の高倍率では (図 4)、H500 バイオ炭の表面には依然として細孔は見えませんでした。 対照的に、H600 サンプルでは部分的に灰で満たされた多数の細孔が見られましたが、やはり H700 では細孔は見られませんでした。 図 5 は、目に見える細孔構造により最も興味深いものとして選択された、H600 材料内の選択された元素の分布を示しています。 元素 Ca、Cl、K、Mg、O、P、および S は、灰が存在した場所に対応する表面上に明確なクラスターを形成します。 さらに、EDXマップは、Nが炭化サンプル表面に均一に分布していることを示しました（図5）。

異なる倍率での Hermetia illucens puparia の SEM 写真: (A) 200 倍、(B) 500 倍、(C) 500 倍。 Hermetia illucens puparia から得られたバイオ炭の SEM 写真: (D) H500 1500 倍および (G) 10,000 倍。 (E) H600 2000×、(H) 10,000×。 (F) H700 2000×、(I) 10,000×。

Hermetia illucens puparia から生成されたバイオ炭の SEM 写真: (A) H500 (20,000 倍)。 (B) H600 (20,000×)。 (C)H600(50,000倍)。 (D) H700 (20,000×); (E) H700 (50,000×)。

H600 バイオ炭の選択された元素の EDX 表面マップ (倍率 10,000 倍)。 左上の画像はサンプルの SEM 画像を示しています。

バイオ炭サンプルと蛹では、27 個の元素が測定されました (表 2)。 元素濃度の変化は熱分解温度に応じて 3 つのパターンに区別できます。 最初のグループでは、Al、As、Ba、Co、Cr、Fe、K、Mg、Mo、Na の濃度は、H600 < H500 < H700 の順に増加しました (表 2)。 2 番目のグループでは、Cd、Ni、Se の値は、H600 < H700 < H500 の順に増加しました。 一般に、どちらのグループの元素でも、特定の元素の濃度が最低になるのは温度 600 °C です。 3 番目のグループは、熱分解温度の上昇とともに濃度が増加する元素、Ca、Cu、Mn、P、S、および Sr (つまり、H500 < H600 < H700) でした。 Pb は、熱分解温度の上昇とともに濃度が減少した唯一の元素でした。 Be、Ga、Hg、Li、Sc、V などの元素については、調査したどの材料でも含有量の変化は有意ではありませんでした (p < 0.05)。

図 6A は、研究されたバイオ炭の FT-IR スペクトルを示しています。 この研究で得られた材料には、主に 800 ～ 1800 cm-1 の領域に位置する少数の特徴的なバンドがありました (表 3)。 さらに、バイオ炭には原料との共通のバンドが 1 つだけあり、これは約 870 ～ 890 cm-1 に位置し、糖環の芳香族 C-H 環の伸縮 21 またはアルケンの C-H 屈曲および C=C 屈曲に対応していました 8。 すべてのバイオ炭は 710 および 872 cm-1 付近にバンドを示しましたが、H500 のみ 1108 cm-1 に弱いバンドがあり、Qambrani ら 31 によれば、これはセルロースやヘミセルロースなどの対称的な C-O 伸縮に対応していました。 興味深いことに、H600 は、糖環の C-O-C 非対称伸縮に対応する 1024 cm-1 バンドの最高強度を持っていましたが、1390 cm-1 のバンド強度が最低でした（芳香族 C=C、脂肪族 α -C–H2、フェノール O–H 曲げ 31、CH 曲げ、および CH3 対称変形 20。

(A) Hermetia illucens puparia から得られたバイオ炭 (H500 ～ H700) の FT-IR スペクトル、および (B) H600 バイオ炭で得られた XRD パターン。

図 6B は、H600 バイオ炭の X 線回折パターンの例を示しています。これは、得られたすべてのバイオ炭に共通していました。 26.6 2θ°付近の鋭いピークが特徴的でした。 さらに、H.illucens バイオ炭では、主要なピークがそれぞれ 34.2°、42.2°、46.1°、50.8°、55.0°、および 56.0°で見つかりました。 回折プロファイルは方解石 (CaCO3) の存在を示しました (国際回折データセンター (ICDD) データベース PDF4 + 2018 に基づく)。

調査したバイオ炭は、Pb に対する最も高い吸着能力を特徴としました (すべての材料を合わせた平均は 9.6 ± 0.4 mg Pb g-1 でした) (図 7)。 次に高いのは Cd (8.8 ± 0.3 mg Cd g-1) で、最も低い吸着は Ni (6.9 ± 0.5 mg Ni g-1) で確認されました (図 7)。 熱分解温度は、さまざまな金属の吸着能力に影響を与えます。 H700 バイオ炭は、低温で熱分解された他のバイオ炭よりも大幅に高い Ni の収着容量 (7.38 ± 0.09 mg Ni g-1) を持っていました。 次に、最も多量の Cd が H600 バイオ炭に吸収され (p < 0.05)、9.19 ± 0.10 mg Cd g-1 でした。 Pb の吸着容量は熱分解温度とともに増加するため、H700 は吸着された Pb イオンの最大量 (10.05 ± 0.06 mg Pb g-1) によって特徴付けられました。

Hermetia illucens puparia から得たバイオ炭 (H500、H600、H700) への選択された重金属の吸着。 平均±SD (n = 3)。 異なる文字は統計的に有意な差を示しました (Tukey の検定、p < 0.05)。

すべてのバイオ炭において、ナフタレン (NAP) が PAH の合計に最も大きく寄与し、その範囲は 49.5 ～ 59.6% でした (表 4)。 H500 と H700 ではアセナフチレン (ACY) も広く普及し (19.2 ～ 25.0%)、H600 ではフェナントレン (PHE) (17.3%) も同様でした。 発がん性があることで知られるベンゾ[a]ピレン (BaP) の含有量は、熱分解温度とともに減少しました。 最も寄与度の高い Cfree PAH も NAP でした (合計の 90.0 ～ 92.4%)。 各材料の 2 位はアセナフテン (ACE) で、合計のシェアは 2.8 ～ 3.6%、3 位は H500 と H700 の両方でフルオレン (FLO) (2.6 ～ 2.7%)、アントラセン (ANT) でした。 ) H600 では (1.7%) (表 4)。

すべてのバイオ炭の中で、NAP は水抽出物中の PAH の総量 (Cfree PAH) にも最も大きく寄与しており、90.0 ～ 92.4% でした (表 4)。 各物質の次に寄与率が高いのはアセナフテン (ACE) で、合計で 2.8 ～ 3.6% のシェアを占めました。 フルオレン (FLO) もすべてのバイオ炭から 1.7 ～ 2.7% の濃度範囲で検出されました。 フェナントレン (PHE) は、濃度範囲 1.5 ～ 1.7% の H500 および H700 でのみ確認されました。 アントラセン (ANT) は H600 (総量の 1.7%) にのみ存在しました。 合計に占める他の PHA の割合は 1% 未満でした (表 4)。

試験したすべての材料は、L.sativum の根の成長に対する刺激効果を示し、これは H500 の方が著しく高かった (図 8)。 この傾向は熱分解温度とともに減少しました (図 8)。 根の成長刺激は、熱分解温度に関係なく水抽出物でも発生しました。これは、H500 と H700 の両方で最高かつ同様でしたが (平均 63.5%)、H600 では、わずか 12.0 ± 1.9% に達しました (図 8)。 バイオ炭は F. カンジダの死亡率には影響しませんでしたが、その繁殖の刺激には高い影響を示しました (図 8)。 H600 のみが A. fischeri 生物発光に対して阻害効果を示しました (図 8)。

Hermetia illucens puparia から生成されたバイオ炭の生態毒性試験の結果。 調査されたバイオ炭の影響: 固相および水抽出物における Lepidium sativum の根の成長阻害、Folsomia candida の死亡率および生殖阻害、および Aliivibrio fischeri の生物発光阻害。 平均±SD (n = 3)。 異なる文字は統計的に有意な値を示しました (Tukey の検定、p < 0.05)。

熱脱水反応と灰の形成により、バイオ炭の pH はほとんど塩基性でした 32,33。 しかし、Hossain et al.34 は、原料の初期 pH に強く依存することを証明しました。 揮発性固体 (VS) 含有量については、温度に反比例する傾向が観察されており、この現象はよく知られています 33。

調査されたバイオ炭は、このタイプの材料としては SSA が低かった。 一般に、平均 SSA は熱分解温度とともに増加する傾向があります 31。 しかし、SSA の減少は、細孔を詰まらせることによって材料の SSA を低下させる熱分解の温度による灰分含有量の増加に関係する可能性があります 33、または温度が上昇するとより顕著に起こる焼結プロセスによっても発生します 35。 焼結は倍率 50,000 倍の SEM 画像によって証明できました (図 4)。多孔質構造が見られた H600 材料と比較して、H700 バイオ炭の表面には幅広のスリット状構造のみが示されました。

単一の原料から製造されたバイオ炭は、熱分解条件に応じて広範囲の SSA を含む場合があります。 H.illucens puparia から得られたバイオ炭は、このパラメーターにおいて、オレンジの皮 (7.8 ～ 51.0 m2 g-1)、ヤシの樹皮 (2.5 m2 g-1)、ピーナツの殻 (3.1 m2 g-1)、松葉からのバイオ炭と類似していました。 (0.7 ～ 19.9 m2 g-1)、松ピッチ (2.9 ～ 4.8 m2 g-1)、松の削りくず (1.8 ～ 4.8 m2 g-1)、鶏砂 (3.9 および 9.0 m2 g-1)、大豆ストーブ ( 5.6 m2 g−1）、豚の固形物と肥料（4.1 および 5.7 m2 g−1）、七面鳥の砂（2.6 m2 g−1）および離乳食の肥料（3.8 m2 g−1）33。 Stefaniuk と Oleszczuk 32 および Zielińska ら 33 によって明らかにされているように、下水汚泥およびバイオガス残留物から生成されるバイオ炭も同様の範囲の SSA を有する可能性があります。

調査した材料の N2 吸着に関与する平均細孔幅は、メソ細孔範囲 (2 ～ 50 nm) でした 30。 Zielińska ら 33 は、さまざまな下水汚泥からのバイオ炭の平均細孔径が 5.7 ～ 14.0 nm の範囲であることを示しました。 Stefaniuk と Oleszczuk32 は、バイオガス残留物からの一部のバイオ炭の細孔径が、この研究で観察されたものと同様の範囲にある可能性があることを証明しました。

IV 型材料における N2 の吸脱着等温線はメソポーラス材料で発生し、細孔内での凝縮が特徴ですが、飽和プラトーには達しません 35 (図 2B)。 H3 ヒステリシスは、板状粒子の非剛体凝集体、またはマクロ細孔が細孔凝縮物で完全に満たされていない場合に発生します 30。 これは、炭素吸着剤に特徴的なスリット状の細孔形状を証明している33。 さらに、0.4 と 0.5 P/Po の間の急激なステップダウン閾値は、部分的にブロックされたメソ細孔を再び示しました 30。

原材料 (蛹) は、Waśko et al.8 による研究と同様の C および H 含有量を示しましたが、N 含有量が 1 つ例外であり、これは昆虫の食性の違いと次の事実に関係している可能性があります。この研究では、蛹の洗浄や前処理は一切行われませんでした。 一般に、H. illucens の蛹の組成は、海洋起源の純粋なキチンの組成と非常によく似ていました 21。 Zazycki et al.21 の研究では、純粋なキチンからのバイオ炭が 800 °C/60 分の熱分解によって生成されていました。 彼らは、C 含有量が 81.30% と高く、H、N、O 含有量はそれぞれ 2.15%、3.45%、13.10% であると測定しました。 同様に、Magnacca ら 36 は、海洋キチンから生成されるバイオ炭中の C 含有量が、440 ℃ および 540 ℃で熱分解された材料では 72.7 ～ 75.5% の範囲であることを確認しましたが、294 ℃ で得られた材料では、炭素含有量は非常に類似していました。原料のそれに比べて（47.7％）。 引用された研究では、440 °C および 540 °C で得られた材料の H および N の含有量は、それぞれ 3.5 ～ 2.8% および 8.3 ～ 8.0% でした。 H.illucens の蛹から生成されたバイオ炭は、上記の研究と比較して、C と H の含有量ははるかに低かったが、N と O のレベルは同程度でした。

この研究で調査されたバイオ炭は、C および H 含有量が次のものと同様でした: ブロイラーのリター (700 °C/60 分、46% C、1.4% H)、ニワトリのリター (620 °C/2 時間、41.5% C、1.2%) H)、ヤギ糞尿 (400 ～ 800 °C/30 分、42.7 ～ 43.6% C、1.7 ～ 0.8% H)、豚糞尿 (400 °C/60 分、41.8% C、1.0% H)、豚固体 ( 700 °C/2 時間、44.1% C、0.7% H) および七面鳥のリター (700 °C/2 時間、44.8% C、0.95% H)31。 元素組成は、この研究で調査された材料が動物の糞尿から得られたバイオ炭と純粋な海洋キチンの間に位置する可能性があることを示しました。

Qambrani et al.31 によるレビュー論文がその内容を要約していないことからわかるように、バイオ炭中の硫黄含有量はあまり関心がありません。 Zazycki et al.21 や Magnacca et al.36 の研究でも、それは調査されていません。 300 ～ 700 °C/6 時間の温度で熱分解されたトウモロコシわらから生成されたバイオ炭中の S 含有量は、0.32 ～ 0.58% の範囲でした37。 オークおよびトウモロコシ茎葉から作られたバイオ炭 (500 ～ 850 °C) の S 含有量は 0.15 ～ 0.17% および 0.61 ～ 0.80% の範囲でした38。 最近、Leng ら 39 は、さまざまな原料からのバイオ炭の S 含有量を検討しました。 一般に、植物材料から作られたバイオ炭の S 含有量は 0.015 ～ 0.550% の範囲ですが、下水汚泥から製造されたバイオ炭 (0.747 ～ 0.996%) が最も高く、鶏糞から製造されたバイオ炭はその中間でした。 したがって、S 含有量の点では、H.illucens の蛹から作られたバイオ炭が鶏糞バイオ炭に最も類似していました。 一般に、植物バイオマスおよび動物の糞尿に由来するバイオ炭は、この研究で得られた材料よりも窒素含有量が低く（ペレット化鶏砂では最大 4.9%、松葉では最大 4.1%）、O 含有量は広範囲の値で異なりました31。 。 これに関連して、H.illucens の蛹に由来するバイオ炭は、自然に高い N 濃度を有する新しい興味深い材料を構成します。 ヘテロ原子、特に N をドープしたバイオ炭には特別な注意が必要です。 たとえば、微生物燃料電池、リチウムまたは空気亜鉛電池、スーパーキャパシタの電極触媒材料として使用できます40。

温度が高くなると H/C および O/C 比が減少することは、バイオ炭中の脱水素反応による C-C 結合の炭化と芳香族化の増加、および酸素官能基の存在の減少を示しています。 両方のパラメーターの低下は、得られた材料の疎水性の増加を示しました 32,33。 H/C 値の低いバイオ炭は、微生物による分解に対する耐性があるため、土壌中の長期的な C 隔離に役立つ可能性があります 33。

顕微鏡写真では、熱分解条件下でも生き残ったバイオ炭のよく保存されたハニカム構造が示されました。 蛹のこの内部構造は、蛹から抽出された純粋なキチンの SEM 拡大でも見ることができました8。 H500 のような低温でのバイオ炭表面の滑らかさは、Pituello らによって以前に観察されています 41。 図 3H は、細孔構造が H600 では発達したが、H700 では発達していないことを示しました。 これが、H600 が最も高い N2 BET 表面積を持った理由です (表 1)。 温度が高くなると、しわや焼結により、以前に存在していた細孔が閉じてしまいました。 したがって、熱分解温度をより正確に調整することにより、さらに優れた細孔構造とより大きな SSA が得られる可能性があります。

Zhao ら 42 は、バイオ炭中の元素含有量が製造プロセスの温度とともに増加することを示しました。 ただし、常にそうであったわけではありません。 Cu と Mn の含有量については例外が示されており、500 °C で最高となりましたが、この研究で使用された最高温度は 600 °C でした 42。 これらの非線形傾向は文献でよく見られ、まだ正確に特徴付けられていないさまざまなプロセスから生じます。 一部の著者は、プロセス中の高温でさまざまな金属が揮発する可能性があると考えていました41,42。 H.illucens puparia から生成されたバイオ炭は、一般に微量元素とマクロ元素が豊富で、たとえば、リンゴの木の枝からのバイオ炭よりも Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn の含有量が高かった 42。 同様に、H.illucens puparia からのバイオ炭中の亜鉛含有量は、ブドウ園の剪定残渣から生成された材料 41 や木ペレットやブラシウッド 43 よりも高かった。 これは、これらのバイオ炭がバイオ肥料として使用された場合、植物に対する微量元素補給の価値が高いことを示しています。

H.illucens から生成されたバイオ炭は、Pituello ら 41 および Marmiroli ら 43 によって研究されたすべての植物および非植物材料からのバイオ炭よりも高い濃度の As および Cd を含んでいた。 しかし、Pb と Ni は、それぞれ下水汚泥と都市有機廃棄物の消化物から得られたバイオ炭と比較して低かった41。 Cr 含有量も、上記の材料とは対照的に、蛹由来のバイオ炭で最も低かった。

植物バイオ炭と比較して元素の含有量が高いことは、摂食中に H.illucens で発生する生物濃縮現象によって説明できます。 特に Cd や Zn などの一部の重金属は、この昆虫の体内で生物濃縮を受けることが知られています 13,44。 Proc et al.45 は最近、H.illucens がさらに多くの元素を生体蓄積する能力を実証しました。 非スパイク飼料を与えられた H.illucens の蛹では、Ba、Ca、Cu、Fe、Ga、Hg、Mg、Mo、Mn、P、S、Se の生体蓄積が示され、特に高い生体蓄積係数が示されました。 Ca (12.02) および Mn (5.95) について得られます45。

H500 の FT-IR 分析は、熱分解に使用された蛹の表面が、幼虫が生息していた基質残留物で汚染されている可能性があることを示しました (基質はココナッツ繊維をベースとしたものでした)。 より高い温度では、この残留物は崩壊し、バンドは消失しました。 実験のために採取された蛹は意図的に洗浄されていませんでした。 この種の廃棄物からバイオ炭を製造したいと考えている実際の企業の状況では、熱分解前にそれらを洗浄することは経済的理由から不当である。 表 3 に示したいくつかのバンド (ピーク番号 6、7、および 9) は、精製エビキチンから生成されたバイオ炭と類似していました 21。

XRD スペクトルでは、26.6 2θ° のピークは、平面に積層されたグラファイト基底相を表し、炭素 46 の結晶化を意味します。 高くて細いピークは、幅広の丘状の形状よりも結晶化が進んでいることを示します。 方解石の存在は、バイオガス残留物 32 および下水汚泥 33 から作られたバイオ炭からも検出されました。 H.illucens puparia8 から抽出したキチンについて得られた回折パターンと比較すると、H600 では 2θ° 9 ～ 25 の範囲のピークは観察されませんでした。 生の蛹では、これらのピークは α-キチンの結晶構造を示しています 8,21。 結晶構造の消失は、処理された蛹において 600 °C ですでに発生しており、FT-IR スペクトル上のアミド I およびアミド II バンドの欠如によってさらに確認されました (図 6A)。 これは、Zazycki et al.21 の観察と一致しています。

Kılıç ら 47 は、650 °C でアーモンドの殻から得られたバイオ炭の吸着容量は 20 mg Ni g-1 (pH 6.0) であると報告しました。 Bogusz et al.48 は、バイオガス生成後の残留物から得られたバイオ炭の Ni 吸着が 16.6 ～ 34.2 mg Ni g-1 (pH 5.5) の範囲であることを示しました。 植物起源およびブロイラーリターからの異なるバイオ炭上の Ni 収着範囲は 1.17 ～ 19.80 mg Ni g-148 でした。

300 ～ 600 °C で Miscanthus sacchariflorus から生成されたバイオ炭は、pH 7 で 11.40 ～ 13.24 mg Cd g-149 の範囲の Cd 吸着能力を持っていました。 200 および 350 °C で肥料から生成されたバイオ炭はさらに高い収着を示しました: Xu らの報告によると、31.9 mg および 51.4 mg Cd g-1 でした50。 一方、400 ～ 450 °C で得られ、pH 5 で試験されたオーク樹皮からのバイオ炭は、蛹から得られたバイオ炭よりもこの金属に対する吸着能力がはるかに低かった (5.4 mg Cd g-1)51。

この研究で調査された材料は、300 °C での水熱液化中に松材と稲わらから生成されたバイオ炭よりもはるかに高い Pb 吸着能力を持っていました (それぞれ 3.89 mg Pb g-1 と 1.84 mg Pb g-1 を吸着しました)52。 400 ～ 450 °C で熱分解された松材、松樹皮、オーク材、オーク樹皮などの植物起源の他のバイオ炭は、2.62 (オーク材) ～ 13.1 (オーク樹皮) mg Pb の範囲の Pb 吸着能力を持っていました。 Mohan et al.51 によって明らかにされた g-1 (pH 5.0)。 Lu et al. 53 は、550 °C で汚泥から生成されたバイオ炭 (30.9 mg Pb g-1; pH 5.0) について、より高い吸着を報告しました。

バイオ炭表面への Cd および Pb の吸着は主に陽イオン交換、表面錯体形成、沈殿に依存し、特に Cd の場合は静電相互作用にも依存します 54。 吸着特性とその原因となるメカニズムは、溶液の pH に加えて、バイオ炭と原料の種類、熱分解条件に厳密に依存し、大きく異なる可能性があります 54。 引用文献では、H.illucens puparia からのバイオ炭が議論されている重金属に対する適度な吸着剤であると記載されています。

16 種類の米国環境保護庁 (EPA) PAH の総含有量は、推奨最大濃度 300 mg kg-1 DW55 を超えず、この制限値 (168 ～ 249 μg kg-1 DW) を大幅に下回っていました (表 4)。 NAP は、得られたバイオ炭内で最も豊富な PAH でした。 これは、500 °C を超える熱分解温度に起因し、そこから PAH 形成のフリーラジカル機構が優勢になり始め、その結果、熱力学的に最も安定な化合物として NAP が生成されます 56。 水抽出物中のΣ16 PAH の含有量は、生物学的に利用可能であり、環境への悪影響の主な原因である 56 が、48 ～ 72 ng dm-3 のさらに低い範囲にありました（表 4）。 この物質は濃度が低く、バイオ炭の表面と強い結合を形成する能力があるため、PAHs の供給源ではなく収着シンクとして機能します56。

H.illucens puparia からのバイオ炭は、たとえ試験された材料が Kołtowski と Oleszczuk で報告されているよりも高い総 PAH 含有量を含んでいたという事実にもかかわらず、L. sativum およびモデル土壌無脊椎動物に対して毒性を示さなかった 57。 F. カンジダは世界中の土壌で発見され、トビムシ目イソトミ科に属します。 Egamberdieva ら 58 は、根粒菌の増殖を刺激することで、土壌刺激による植物の成長にバイオ炭を添加することを実証しました。 さらに、F. カンジダの繁殖率の増加は細菌の増殖の刺激にも関係している可能性があり、その結果、F. カンジダの餌となる有機物の分解が強化される可能性があります。 マイナスの影響は 1 つだけ確認されており、それは H600 による A. フィッシェリの生物発光の阻害でした (図 8)。 H600 では、重金属およびその他の元素の含有量が他の試験したバイオ炭よりも低いか、統計的に有意ではないという事実 (表 2) により、有機化合物が阻害効果を持っていると疑われました。 一般に、バイオ炭から抽出可能な物質の毒性は、頻繁に議論されたり研究されたりするトピックではありませんが、PAH、ダイオキシン、タール、フラン、揮発性有機化合物、有毒な重金属などの物質が含まれているため、調査が必要であることは確かです57,59。 Intani et al.59 は、トウモロコシ穂軸バイオ炭の L. sativum に対する毒性が、その発芽率、シュートの長さ、および新鮮なシュートの重量に影響を与えることを報告しました。 Kołtowski と Oleszczuk57 は、ススキ、ヤナギ、小麦わらから生成されたバイオ炭の毒性が、A. fischeri の生物発光とミジンコの生存に対して、それぞれ高、中、極低であることを確認しました。

私たちの結果は、ダイナミックに成長する昆虫育種産業からの廃棄物の非標準的な管理が、新しい特性を持つバイオ炭の生産にどのように利用できるかを示しています。 この新しいバイオ炭は、ほとんどのパラメータに関して、植物由来のバイオ炭と肥料、下水汚泥、およびバイオガス汚泥から生成されるバイオ炭との間の中間的な特性を示しました。 吸着特性が低いという事実にもかかわらず、植物バイオマスからのバイオ炭と比較して窒素および多数の微量元素および多量元素の含有量が高いため 31、農業利用に適しています。 重金属の含有量は、International Biochar Initiative55 が開発したバイオ炭の基準値以内 (As、Cd、Mo、Zn) 以下 (Cr、Hg、Ni) であり、安全な使用が保証されています。 ナフタレンは、得られたバイオ炭内で最も豊富な PAH でした。 16 種類の米国 EPA PAH の合計含有量は、推奨最大濃度 300 mg kg-1 DW55 を超えず、この制限を下回っていました（合計含有量は 168 ～ 249 μg kg-1 DW、水抽出物は 48 ～ 72 ng l-1）。 ）。 最後に、毒性の欠如、さらに L. サティバムの根に対する成長刺激効果と F. カンジダの繁殖の増加は、生産されたバイオ炭の顕著な特性を示しており、農業で実用化できる可能性があります。 例えば、これらの優れた特徴は、得られたバイオ炭の広い表面積と併せて、特に肥料または有益な細菌の担体としてのその潜在的な用途を示すことを可能にする。 非常に興味深いのは、このタイプのバイオ炭の活性化であり、これにより表面積が大幅に増加し、吸着特性が向上するはずです。 天然に存在する窒素含有量が高いため、スーパーキャパシタ電極の形成などにおける電子特性の研究も、将来の研究の潜在的な方向性を設定します。 しかし、近い将来最も重要な方向性は、おそらく他の昆虫種の外骨格やフラスから得られるバイオ炭の特性を研究することになるでしょう。

データは、対応著者である Piotr Bulak からのリクエストに応じて利用可能になります。

Dossey, AT、Tatum, JT & McGill, WL 現代の昆虫ベースの食品産業: 現状、昆虫加工技術、および今後の推奨事項。 昆虫は持続します。 食べ物に興味があります。 製品。 プロセス。 食品アプリケーション https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802856-8.00005-3 (2016)。

記事 Google Scholar

委員会規則 (EU) 2017/893。 2017 年 5 月 24 日 - この規定に関して、欧州議会および理事会規則 (EC) No 999/2001 の附属書 I および IV、および欧州委員会規則 (EU) No 142/2011 の附属書 X、XIV、および XV を修正。 オフ。 J.ユーロ。 Union 60、92–116 (2017)。

Google スカラー

委員会実施規則 (EU) 2021/1975。 2021年11月12日、欧州議会および欧州議会の規制(EU)2015/2283のもと、新規食品としてトナカイの冷凍、乾燥、粉末形態を市場に出すことを承認した。 オフ。 J.ユーロ。 ユニオン 1975、10 ～ 16 (2021)。

Google スカラー

委員会実施規則 (EU) 2022、169。2022 年 2 月 8 日、欧州議会の規制 (EU) 2015/2283 の下で新規食品としてキイロミルワーム (テネブリオモリター幼虫) の冷凍、乾燥、粉末形態を市場に出すことを承認。 オフ。 J.ユーロ。 ユニオン 2016、48–119 (2022)。

Google スカラー

Müller, A.、Wolf, D. & Gutzeit, HO ブラックソルジャーバエ、Hermetia illucens: タンパク質、脂質、生理活性物質の持続可能な生産源として有望です。 ツァイシュリフト毛皮ナトゥールフォルシュ—セクション。 Ｃ．Ｊ．Ｂｉｏｓｃｉ． 72、351–363 (2017)。

記事 Google Scholar

ウィン、SS 他統合バイオリファイナリーの一部としてのクロベタバエ幼虫 (BSFL) バイオマスの嫌気性消化。 更新します。 エネルギー 127、705–712 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Bulak, P. et al. 生産後の廃棄物を繁殖させる昆虫からのバイオガスの生成。 J. クリーン。 製品。 244、118777 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Waśko、A. et al. Hermetia illucens から単離されたキチンの物理化学的構造の最初の報告。 内部。 Ｊ．Ｂｉｏｌ． マクロモル。 92、316–320 (2016)。

論文 PubMed Google Scholar

Godlewska, P.、Siatecka, A.、Kończak, M. & Oleszczuk, P. さまざまなガス状態の下水汚泥または下水汚泥とバイオマスの混合物から製造された人工炭素ベースの吸着剤に対するフェナントレンおよびピレンの吸着能力。 バイオリソース。 テクノロジー。 280、421–429 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

El-Naggar、A. et al. 低肥沃度土壌へのバイオ炭の応用: 現状のレビューと将来の展望。 地皮 337、536–554 (2019)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ewuim、サウスカロライナ州 Entomoremediation - 新しい現場バイオレメディエーション アプローチ。 アニム。 解像度内部。 10、1681–1684 (2013)。

Google スカラー

ラランダー、C.ら。 クロソルジャーバエ (Hermetia illucens) の幼虫による糞便汚泥管理: 衛生面から。 科学。 トータル環境。 458–460、312–318 (2013)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Bulak, P. et al. Hermetiaillucens は、昆虫仲介での使用に有望な新種として注目されています。 科学。 トータル環境。 633、912–919 (2018)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Gold, M.、Tomberlin, JK、Diener, S.、Zurbrügg, C. & Mathys, A.クロ兵バエ幼虫処理における生物廃棄物の主要栄養素、微生物、および化学物質の分解: レビュー。 廃棄物管理 82、302–318 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Proc, K.、Bulak, P.、Kaczor, M.、Bieganowski, A. 生物学的プロセスにおける元素の生体蓄積を定量化する新しいアプローチ。 生物学 (バーゼル) 10、1–9 (2021)。

Google スカラー

Zheng, L.、Li, Q.、Zhang, J. & Yu, Z. バイオディーゼル収量を 2 倍にする: バイオディーゼル生産のためのグリース抽出後のレストラン廃棄物の固形残留画分でクロソルジャーバエの幼虫 Hermetia illucens を飼育。 更新します。 エネルギー 41、75–79 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Zdybicka-Barabas、A. et al. ブラックソルジャーバエ Hermetia illucens の幼虫における免疫反応。 インバーテブラ。 生き残れ。 J. 14, 9–17 (2017)。

Google スカラー

カリジャーニ、A.ら。 ブラックソルジャーバエの前蛹の組成と、タンパク質、脂質、キチンの抽出と分画のための体系的なアプローチ。 食品研究所内部。 105、812–820 (2017)。

論文 PubMed Google Scholar

Vogel, H.、Müller, A.、Heckel, DG、Gutzeit, H. & Vilcinskas, A. 栄養免疫学:クロワオバエ Hermetia illucens における抗菌ペプチドの多様化と食餌依存性発現。 開発者コンプ。 イムノール。 78、141–148 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Van Moll、L. et al. 選択されたヒト病原体に対するクロソルジャーバエ (Hermetia illucens) からの抗菌ペプチドの in vitro 評価。 微生物。 スペクトル。 10、1–17 (2022)。

Google スカラー

マサチューセッツ州ザジツキら。 メチルバイオレット染料を含む着色排水を処理するための代替吸着剤としてのキチン由来バイオ炭。 上級パウダーテクノロジー。 30、1494–1503 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

シャブニン、AS et al. キチン/キトサン ナノファイバーをベースとした複合創傷包帯: 加工および生物医学への応用。 化粧品 6、1–10 (2019)。

記事 Google Scholar

Heitkötter, J. & Marschner, B. 原料、熱分解温度、および歴史的な木炭生産に関連する、土壌におけるバイオ炭の老化の相互作用の影響。 Geoderma 245–246、56–64 (2015)。

記事 ADS Google Scholar

ルミンスカ、W. 他選択した油搾りかすをモデル生地に補給した結果としてのグルテン構造の FT-ラマンおよび FT-IR 研究。 J. Cereal Sci. 93、102961 (2020)。

記事 Google Scholar

Bulak, P. et al. Sinapis alba 種子の電磁場前処理により、カドミウム植物抽出が改善されました。 内部。 J. ファイトレメディエーション 20、338–342 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Bogusz, A.、Oleszczuk, P. & Dobrowolski, R. 水からのカドミウム、銅および亜鉛イオンの吸着への研究室で調製されたおよび市販のバイオ炭の応用。 バイオリソース。 テクノロジー。 196、540–549 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Cornelissen, G.、Arp, HPH、Pettersen, A.、Hauge, A. & Breedveld, GD 平衡パッシブサンプラーを使用した港湾堆積物の移転による PAH および PCB 排出量の評価。 Chemosphere 72、1581–1587 (2008)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Brändli, RC、Bucheli, TD、Kupper, T.、Stadelmann, FX & Tarradellas, J. 堆肥からの PCB および PAH の加速溶媒抽出を最適化しました。 内部。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． アナル。 化学。 86、505–525 (2006)。

記事 Google Scholar

EN12457-2 プロトコル。 EC、2002 年 12 月 19 日の理事会決定。指令 1999/31/EC の第 16 条および附属書 II に基づく埋立地での廃棄物の受け入れ基準と手順を確立。 欧州理事会。 オフ。 J.ユーロ。 コミュニティ 27 ～ 49 (2003)。

Thommes, M. et al. 表面積と細孔径分布の評価を特に参照したガスの物理吸着 (IUPAC 技術レポート)。 ピュアアプリ。 化学。 87、1051–1069 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Qambrani, NA、Rahman, MM、Won, S.、Shim, S. & Ra, C. 気候変動緩和、廃棄物管理、廃水処理のためのバイオ炭の特性と環境に優しい応用: レビュー。 更新します。 持続する。 エネルギー改訂 79、255–273 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Stefaniuk, M. & Oleszczuk, P. バイオガス生産の残留物から生産されるバイオ炭の特性評価。 J.アナル。 応用熱分解 115、157–165 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zielińska, A.、Oleszczuk, P.、Charmas, B.、Skubszewska-Zięba, J. & Pasieczna-Patkowska, S. バイオ炭の特性に対する下水汚泥の特性の影響。 Jアナル。 応用熱分解 112、201–213 (2015)。

記事 Google Scholar

Hossain, MK、Strezov Vladimir, V.、Chan, KY、Ziolkowski, A. & Nelson, PF 下水汚泥バイオ炭の生成と栄養特性に対する熱分解温度の影響。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 管理。 92、223–228 (2011)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Lu、H.ら。 さまざまな原料および熱分解温度から得られる下水汚泥由来のバイオ炭の特性評価。 J.アナル。 応用熱分解 102、137–143 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Magnacca、G. et al. 温和な条件での熱分解によって得られる天然キチンからの低コストのバイオ炭の調製、特性評価、および環境/電気化学的エネルギー貯蔵試験。 応用サーフィン。 科学。 427、883–893 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

Zhao, B.、Xu, H.、Zhang, T.、Nan, X. & Ma, F. トウモロコシわらバイオ炭中の硫黄含有量、抽出可能画分および硫酸塩の放出に対する熱分解温度の影響。 RSC アドバンス 8、35611–35617 (2018)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cheah, S.、Malone, SC & Feik, CJ オークとトウモロコシ茎葉の熱分解とガス化から生成されるバイオ炭中の硫黄の種形成。 環境。 科学。 テクノロジー。 48、8474–8480 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Leng、L.ら。 バイオマスの熱分解から得られるバイオ炭の硫黄官能基の概要。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 化学。 工学 10、107185 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Zhong, K. et al. 空気陰極微生物燃料電池の酸素還元触媒としてスイカの皮から抽出した窒素ドープ バイオ炭。 応用エネルギー 242、516–525 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ピトゥエロ、C.ら。 さまざまな温度で生成された生物廃棄物からのバイオ炭の化学的、物理的、構造的、形態学的特性の特性評価。 J. ソイルズ セディム。 15、792–804 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Zhao, SX, Ta, N. & Wang, XD 原料としてリンゴの木の枝を使用したバイオ炭の構造的および物理化学的特性に対する温度の影響。 エネルギー 10、1–15 (2017)。

記事 Google Scholar

マルミローリ、M. et al. 潜在的な植物改良剤としてのさまざまなバイオマスからの炭の構造的および機能的特徴。 フロント。 植物科学。 9、1–13 (2018)。

記事 Google Scholar

Diener, S.、Zurbrügg, C. & Tockner, K. ブラックソルジャーバエ、ハーメティア・イルセンスにおける重金属の生体蓄積とそのライフサイクルへの影響。 J. 飼料としての昆虫 1、261–270 (2015)。

記事 Google Scholar

Proc, K.、Bulak, P.、Wiącek, D. & Bieganowski, A. Hermetia illucens は 15 の異なる元素の生体蓄積性を示します: 飼料および食料生産への影響。 科学。 トータル環境。 723、138125 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang、Y.ら。 熱分解温度の異なる孟宗竹と籾殻から熱分解したバイオ炭の物理化学的特性の比較。 BioResources 12、4652–4669 (2017)。

CAS Google スカラー

キリチ、M.、キルビイク、Ç.、チェペリオウッラル、Ö。 & Pütün, AE 熱分解の副産物であるバイオ炭による水溶液からの重金属イオンの吸着。 応用サーフィン。 科学。 283、856–862 (2013)。

記事 ADS Google Scholar

Bogusz, A.、Nowak, K.、Stefaniuk, M.、Dobrowolski, R. & Oleszczuk, P. 廃水からのカドミウムとニッケルの除去に関する、バイオガス生産後の残留物からのバイオ炭の合成。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 管理。 201、268–276 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

キム、WKら。 異なる熱分解温度で巨大ススキから生成されたバイオ炭による水溶液からのカドミウム除去の特性評価。 バイオリソース。 テクノロジー。 138、266–270 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Xu、X.ら。 乳肥料由来のバイオ炭による水溶液からの Cu、Zn、Cd の除去。 環境。 科学。 汚染。 解像度 20、358–368 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

モハン、D.ら。 バイオオイル生産中の木材と樹皮の高速熱分解によって生成される炭化物によるヒ素、カドミウム、鉛の収着。 J. コロイド界面科学。 310、57–73 (2007)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, Z. & Zhang, FS バイオマスの水熱液化から調製されたバイオ炭を使用した水からの鉛の除去。 J.ハザード。 メーター。 167、933–939 (2009)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Lu、H.ら。 汚泥由来のバイオ炭による Pb2+ 収着機構の相対分布。 水耐性 46、854–862 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

リー、Ｈら。 バイオ炭による金属収着のメカニズム: バイオ炭の特性と修飾。 ケモスフィア 178、466–478 (2017)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

イニシアチブ、IB 土壌で使用されるバイオ炭の標準化された製品定義と製品試験ガイドライン。 内部。 バイオ炭イニシエイト。 1–47 (2012)。

Wang, C.、Wang, Y. & Herath、HMSK バイオ炭中の多環芳香族炭化水素 (PAH) - その形成、発生、および分析: 総説。 組織ジオケム。 114、1–11 (2017)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Kołtowski, M. & Oleszczuk, P. 熱処理による多環芳香族炭化水素除去後のバイオ炭の毒性。 エコル。 工学 75、79–85 (2015)。

記事 Google Scholar

Egamberdieva, D.、Wirth, S.、Behrendt, U.、Abd-Allah, EF & Berg, G. バイオ炭処理により、大豆の成長促進と植物の成長を促進する根粒菌の変化に対する複合効果が得られました。 フロント。 微生物。 7、1–11 (2016)。

記事 Google Scholar

Intani, K.、Latif, S.、Islam、MS、Müller, J. 熱処理および洗浄前後のトウモロコシ穂軸バイオ炭の植物毒性。 サステナビリティ 11、1–18 (2019)。

Google スカラー

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この研究はポーランド国立科学センターによって設立され、助成番号 2019/35/D/NZ9/01835 を取得しました。

農業物理学研究所、ポーランド科学アカデミー、Doświadczalna 4、20-290、ルブリン、ポーランド

ピョートル・ブラク、キンガ・プロク＝ピエトリカ、モニカ・カチョル、カタルジナ・ズウォトコ、チェザリー・ポラコウスキー、ダリウシュ・ヴィエンチェク、アンジェイ・ビエガノフスキ

マリア・キュリー・スクウォドフスカ大学、化学学部、分析研究所、M. Curie-Skłodowska Square 3、20-031、ルブリン、ポーランド

ハンナ・ワニアク＝ノヴィッカ

ヨハネ・パウロ二世カトリック大学ルブリン生物医学研究所医学部生物医学・環境研究部門、Konstantynów 1J、20-708、ルブリン、ポーランド

エミール・ジエバ

ルブリン生命科学大学、食品科学およびバイオテクノロジー学部、バイオテクノロジー、微生物学および人間栄養学科、Skromna 8、20-704、ルブリン、ポーランド

アダム・ワスコ

マリア・スクウォドフスカ・キュリー大学化学部環境化学学科、マリア・キュリー・スクウォドフスカ広場 3、20-031、ルブリン、ポーランド

パトリック・オレシュチュク

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PB: 概念化、方法論、調査、データキュレーション、検証、形式的分析、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集、視覚化、監督、プロジェクト管理、資金調達。 KP-P.: 調査、データキュレーション、執筆—原案。 MK: 調査、データキュレーション、執筆—原案。 KZ: 調査、データキュレーション、執筆—原案。 CP: 調査、データキュレーション、執筆—原案。 DW: 調査、データのキュレーションです。 HW-N.: 調査、データのキュレーション。 EZ: 調査、データのキュレーション。 AW: 概念化、調査、データのキュレーション、執筆 - 原案。 PO: 概念化、調査、データキュレーション、方法論。 AB: 構想、監修。

ピョートル・ブラク氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Bulak, P.、Proc-Pietrycha, K.、Kaczor, M. 他。 キチン質のヘルメティア・イルセン廃棄物から得られる新しいタイプのバイオ炭には、植物や土壌節足動物に対する刺激効果が組み込まれています。 Sci Rep 13、8306 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35460-6

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受信日: 2023 年 1 月 24 日

受理日: 2023 年 5 月 18 日

公開日: 2023 年 5 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35460-6

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