Use of Black Soldier Fly (<em>Hermetia illucens</em>) in bioconversion and feed production

Abstract

Population and economic growth, rapid urbanization and shifts in dietary preferences towards consuming more animal-derived products are some of the major challenges facing sub-Saharan Africa (SSA) today. Consequently, large amounts of urban waste are generated, with organic waste accounting for almost 80% of the total. However, urban organic waste, a rather valuable resource, is often disposed in municipal landfills due to the lack of adequate infrastructure. At the same time in the developing world there is frequently a lack of local and regional waste disposal management plans. While around one third of the food produced around the world each year is either lost or wasted, current agricultural production systems are failing to address the increasing demand on animalderived products, let alone feeding the ten billion people expected to live on our planet by the year 2050. Moreover, these production systems are often associated with unsustainable land and natural resource use and in addition contribute to climate change by emitting massive amounts of greenhouse gases (GHG). <br /> Recently, insect species such as the Black Soldier Fly (BSF) (Hermetia illucens) have been recognized as innovative alternatives for the traditional protein sources used in the production of livestock feed due to their high nutritive value and the fact that they can feed on various organic waste streams. By employing a set of laboratory-based experiments, this dissertation, aims to explore the use of BSF as a tool in the bioconversion of urban organic waste streams and for the production of high-quality livestock feed within a developing world context. Specifically, this work seeks to assess the influence of commonly and readily available urban organic waste streams on the nutritive quality of BSF larvae (BSFL) reared on them. Therefore, in chapter two, a holistic comparison of the nutritive value of BSFL reared on three different organic substrates, i.e. chicken manure (CM), brewers’ spent grain (SG) and kitchen waste (KW) was conducted. The results of the comparison indicate that BSFL differed in terms of nutrient composition depending on the organic substrates they were reared on. Therefore, identifying organic waste streams of high nutritive content is crucial for the successful production of high quality BSFL-derived feed. Moreover, this work seeks to understand the compound influence of the rearing substrate and temperature. Therefore, in chapter three, a study on the influence of temperature on the development of BSFL reared on two different organic waste streams (SG and CD) was conducted. The results show that SG-fed BSFL were more efficient and tolerated a wider range of temperatures in comparison to the CD-fed ones. Hence there was an influence of both the rearing substrate and the temperature on the fitness of BSFL. Chapters two and three contribute to the knowledge needed in operating, standardizing and optimizing successful BSFL large scale production facilities in the developing world. The research in chapter 4 aims to provide an insight regarding the safety of BSFL reared on urban organic waste streams. Urban organic waste streams are environments where pathogens normally thrive. Therefore, understanding the influence of such streams on the microbial composition of the BSFL gut is needed when identifying safe rearing substrates or deciding suitable decontamination measures and treatments. Thus, research on selected bacterial species isolated from the gut of BSFL reared on KW and CM by using a culture-dependent molecular approach was conducted. The results highlight the potential influence of the rearing substrate on the gut microbial community of BSFL which show a high variability of bacterial species. Additionally, the results show the potential of BSFL to vertically transmit certain bacterial species. Overall, this dissertation confirms the possibility of taking advantage of the readily available urban organic waste streams in Nairobi, Kenya, and arguably elsewhere in the developing world, to produce nutrient-rich BSFL-derived feed. Future research should focus on the development of optimized technologies in terms of: (1) rearing conditions such as temperature, (2) feeding methods, and (3) substrate pre-treatment and decontamination techniques. Moreover, a unified regional legal framework should be developed in order to regulate the quality and ensure the implementation of adequate hygiene and safety measures in industrial mass production systems of insects for feed.

<strong>Nutzung der Schwarzen Soldatenfliege (<em>Hermetia illucens</em>) in der Biokonversion und Futtermittelproduktion</strong><br /> Anhaltendes Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum, rasante Verstädterung und Verschiebung der Ernährungspräferenzen hin zum vermehrten Konsum von tierischen Produkten und Proteinen sind einige der größten Herausforderungen, mit denen Subsahara-Afrika (SSA) heute umgehen muss. Infolgedessen werden enorme Mengen an Siedlungsabfällen erzeugt, wovon organische Abfälle fast 80% ausmachen. Es handelt sich jedoch bei diesen städtischen organischen Abfällen um eine wertvolle Ressource, die in der Futtermittelproduktion zum Einsatz kommen könnte, die allerdings oftmals auf kommunalen Deponien entsorgt wird. Eine passende Infrastruktur, sowie lokale und regionale Managementstrategien und -pläne zur Nutzung dieser Ressource fehlen in Entwicklungsländern. Rund ein Drittel der produzierten Lebensmittel weltweit gehen entweder verloren oder werden verschwendet, während die derzeitigen landwirtschaftlichen Produktionssysteme die steigende Nachfrage nach tierischen Produkten nicht decken können. Bei einer zu erwartenden Weltbevölkerung von 10 Milliarden Menschen im Jahr 2050 werden sich diese Probleme zukünftig noch verschärfen. Darüber hinaus sind die heutigen Produktionssysteme oft mit einer nicht-nachhaltigen Nutzung von Land und natürlichen Ressourcen verbunden und tragen durch den Ausstoß massiver Mengen an Treibhausgasen zum Klimawandel bei.<br /> In jüngster Zeit wurden unterschiedliche Insektenarten, wie z.B. die Schwarze Soldatenfliege (BSF) (Hermetia illucens), aufgrund ihrer hohen Nährwerte und der Tatsache, dass sie sich von verschiedenen organischen Abfallströmen ernähren können, als innovative Alternative zu traditionell in der Produktion von Tierfutter eingesetzten Proteinquellen erkannt. Durch den Einsatz einer Reihe von laborgestützten Experimenten untersucht diese Arbeit den Einsatz der BSF in der Biokonversion von städtischen organischen Abfallströmen zur Herstellung von hochwertigem Tierfutter im Kontext von Entwicklungsländern. Insbesondere zielt diese Arbeit darauf ab, den Einfluss des Nährwerts von häufigen und leicht zugänglichen organischen städtischen Abfallströmen auf den Nährwert von darauf aufgezogenen Larven der Schwarzen Soldatenfliege (BSFL) zu bestimmen. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wurde daher ein ganzheitlicher Vergleich des Nährwerts der BSFL auf drei verschiedenen organischen Substraten, nämlich Hühnermist (CM), Brauerei- (SG) und Küchenabfall (KW), durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung deuten darauf hin, dass die Nährstoffzusammensetzung der Substratquellen einen starken Einfluss auf die Entwicklung der BSFL haben. Die Identifizierung organischer Abfallströme mit hohem Nährwertgehalt ist demnach entscheidend für die erfolgreiche Produktion von hochwertigen BSFL-basierten Futtermittel. Darüber hinaus versucht diese Arbeit die Wechselwirkung zwischen Aufzuchtsubstrat und den äußeren Umweltbedingungen, d.h. der Temperatur, nachzuvollziehen. Im dritten Kapitel wurde daher eine Studie über den Einfluss der Temperatur auf die Entwicklung von BSFL, die auf organischen Abfallströmen (SG und CD) aufgezogen wurden, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass auf SG aufgezogene BSFL effizienter waren und einen breiteren Temperaturbereich tolerierten als die auf CD aufgezogenen Insekten. Sowohl das Aufzuchtsubstrat als auch die Temperatur haben demnach einen Einfluss auf die Fitness der BSFL. Kapitel zwei und drei entwickeln hier die notwendigen Grundlagen für den Betrieb, die Standardisierung und die Optimierung erfolgreicher großer BSFLProduktionsanlagen in Entwicklungsländern. Ein weiteres Ziel dieser Forschungsarbeit ist es etwaige Risiken, die mit der auf städtischen organischen Abfallströmen aufgezogenen BSFL im Zusammenhang stehen, zu identifizieren. Diverse Krankheitserreger können sich leicht auf organischen Siedlungsabfälle entwickeln. Daher ist es notwendig den Einfluss solcher Abfallströme auf die mikrobielle Zusammensetzung des BSFL-Darms zu untersuchen. Dies ist entscheidend für die sichere Nutzung solcher Zuchtsubstrate, bzw. die Entwicklung von geeigneten Dekontaminationsmaßnahmen und -behandlungen. So wurde in Kapitel vier eine Untersuchung ausgewählter Bakterienarten, die aus dem Darm des BSFL isoliert wurden, auf KW und CM unter Verwendung eines kulturabhängigen molekularen Ansatzes durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen den potenziellen Einfluss des Aufzuchtsubstrats auf die mikrobielle Darmgemeinschaft der BSFL, was sich in der variablen Zusammensetzung der isolierten Bakterienarten widerspiegelt. Zusätzlich zeigen die Ergebnisse, dass BSFL bestimmte Bakterienarten vertikal übertragen können. Insgesamt bestätigt diese Dissertation das Nutzungspotenzial leicht verfügbarer organischer städtischer Abfallströmen in Nairobi, Kenia und in anderen Entwicklungsländern für die Produktion von nährstoffreichem BSFL-Tierfutter. Zukünftige Forschungsansätze sollten sich auf die Entwicklung optimierter Technologien in Bezug auf: (1) Aufzuchtbedingungen wie Temperatur, (2) Fütterungsverfahren und (3) Substratbehandlungs- und Dekontaminierungstechniken konzentrieren. Darüber hinaus sollte ein einheitlicher regionaler Rechtsrahmen entwickelt werden, um die Qualität und die Umsetzung angemessener Hygiene- und Sicherheitsmaßnahmen in der industriellen Massenproduktionssystemen von Insekten sicherzustellen.