The Impacts of Dietary Macronutrients on Performance and Body Composition in the Black Soldier Fly, Hermetia illucens L. (Diptera: Stratiomyidae)

Abstract

The production of animal-derived protein requires substantial conventional feed ingredients, such as grains, soybean meal, and fish meal, will pose a major challenge for food security around the globe. In recent years, insects have been regarded as a promising and environmentally-friendly solution for this impending crisis because they convert low-grade organic waste into high-quality protein sources efficiently, are cost effective to produce, and emit less greenhouse gas. The black soldier fly (BSF, henceforth), Hermetia illucens (Diptera: Stratiomyidae), has emerged as one of the most economically important insects that can be an excellent agent for reducing organic food waste and other organic by-products and also a nutritionally suitable replacement for traditional feed for swine, poultry and fish. The larvae of BSF are extremely polyphagous detritivores that consume a wide variety of plant- and animal-derived foods. Despite its economic importance, studies examining the exact nutritional requirement of BSF have been scarce. Nutrient governs nearly all aspects of biology in insects. It is widely held that protein and carbohydrate are the two major macronutrients that have profound consequences for performance and fitness in insects with herbivorous and omnivorous feeding habits. The purpose of this thesis was to explore the separate and combined effects of dietary protein and carbohydrate content of food on multiple preadult life-history traits and body composition in BSF through the application of a powerful state-space modelling framework, the Nutritional Geometry (NG). To this end, various traits related to the evolutionary fitness in BSF larvae were recorded from male and female BSF individuals assigned to one of 32 chemically defined diets containing one of eight ratios of protein-to-carbohydrate (P:C= 1:16, 1:8, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, or 8:1) and one of four concentrations of protein plus carbohydrate (P+C= 60, 120, 180, or 240 g l-1) throughout their larval feeding stage. The performance data obtained from insects reared on these 32 diet treatments were used to construct the nutritional performance landscape superimposed over the gradients of protein and carbohydrate concentration. Compared to male BSF, female BSF grew slowly but developed into larger adults. Despite such sex difference in development time and body size at sexual maturity, there were no major sexual dimorphisms in the shape of the nutritional performance landscapes for all traits measured. This study however found that the overall topography of the landscapes differed significantly among all key parameters of fitness measured for BSF larvae, with the nutritional optima, which were represented as the summit of the fitness mountain, for all traits being located at the different coordinate in the nutrient space. Preadult survivorship was maintained high (>60%) as long as the concentration of protein in the diet was lower than 120 g l-1, and fell as protein concentration exceeded 120 g l-1. Notably, BSF larvae exhibited a high tolerance to extreme protein limitation. The optimal P:C for preadult survivorship was 1:1.71. The duration of preadult development was the shortest at the P:C ratios of 1:1.11–1:1.56 and extended profoundly as dietary protein concentration decreased below 35 g l-1. The body weight of adult flies recorded at emergence peaked at the carbohydrate-biased P:C ratios of 1:3.16–1:3.36 and fell gradually as dietary carbohydrate concentration decreased. Growth rate had a convex relationship with dietary protein concentration, with the peak for growth rate being centered around the intermediate P:C ratios of 1:1.40–1:1.83. Most importantly, the proxy measure of preadult fitness, which was computed as the product of preadult survivorship and growth rate, was maximized at the intermediate P:C ratios of 1:1.37–1:1.43, suggesting that this particular composition can be the most suitable mixture for mass rearing this species. This fitness proxy decreased as the concentration of dietary protein and carbohydrate either increased or decreased from the optimal level. Across 32 diet treatments, lean body weight remained relatively stable across 32 diet treatments whereas lipid content was high variable depending upon dietary carbohydrate content. The present results revealed that dietary protein and carbohydrate availability in the diet had strong influence over BSF performance. Dietary protein was established to be the most influential dietary determinant of most life-history traits, except for body weight and lipid content. Different life-history traits responded to dietary protein and carbohydrate concentration differently, leading to significant divergences in nutritional optima among them. The Euclidean distance between the nutritional optima was the farthest between body weight and development time, suggesting that life-history trade-off between these two key preadult traits may be strongly mediated by macronutrients in BSF. The results reported in this thesis will provide valuable insights for improving the process and efficacy of the mass production of this economically important species through designing an optimal dietary formula and also offer a promising opportunity to customize the production of BSF phenotype depending on its intended purpose.

동물성 단백질 생산에는 많은 양의 사료가 요구된다. 그러나, 곡물, 대두박, 어분과 같은 전통적인 사료 원료의 부족은 점차 심화되고 있으며, 이는 세계적인 식량위기로 이어질 것으로 예상된다. 최근 곤충은 이러한 식량위기를 해결할 유망하고 친환경적인 대안으로 부상하고 있다. 곤충은 다양한 종류의 유기 폐기물을 단백질로 효율적으로 전환할 수 있을 뿐 아니라, 사육이 용이하고, 온실가스도 적게 배출한다. 특히 아메리카동애등에는 음식물 쓰레기 및 농업 부산물을 처리하는 분해자이며, 전통적인 양돈, 양계, 양어 사료를 대체할 수 있는 경제적으로 가장 중요한 곤충 중 하나이다. 아메리카동애등에 유충은 광식성 섭식자로 다양한 식물성 및 동물성 유기물을 섭취할 수 있다. 이러한 경제적 중요성에도 불구하고 이들의 영양적 요구량을 정량적으로 분석한 연구는 부족한 실정이다. 영양은 곤충에서 거의 대부분의 생물학적 현상에 영향을 미친다. 특히단백질과 탄수화물과 같은 거대영양소는 초식성 및 잡식성 곤충의 발육과 생존 그리고 번식에 대해 지대한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 목적은 음식물의 단백질과 탄수화물의 함량이 아메리카동애등에 성충 이전 단계의 생활사 형질과 체성분 조성에 미치는 영향을 다차원 분석 기법인 영양기하학을 적용하여 규명하는 것이다. 이를 위해 유충기 섭식 기간 동안 단백질과 탄수화물의 8가지 비율(P:C= 1:16, 1:8, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, 8:1)과 4가지 단백질과 탄수화물 함량(P+C= 60, 120, 180, 240 g l-1)의 총 32가지 비율 × 함량 먹이 조건에서 진화적 적응도와 연관된 아메리카동애등에 개별 유충의 다양한 생활사 형질들을 성별을 구분하여 측정하였다. 음식물의 단백질과 탄수화물 함량에 따른 개별 형질의 측정값은 3차원 영양경관도로 적합되었다. 아메리카동애등에 암컷은 수컷과 비교하여 느리게 자랐으며, 결국 상대적으로 더 큰 성충으로 성장하였다. 발육 시간과 몸의 크기를 제외하면 대부분의 형질에서 성별에 따른 영양경관도의 형태적 차이는 확인되지 않았다. 그러나 개별 형질의 영양경관도 사이에서는 전반적인 지형학적 차이가 발견되었는데, 영양공간에서 표현되는 개별 형질의 영양학적 최적점의 위치 또한 다르게 나타났다. 성충 이전 단계의 생존율은 음식물의 단백질 농도가 120 g l-1보다 낮은 환경에서 모두 60% 이상으로 높게 유지되었고, 120 g l-1 이상에서는 농도가 증가할수록 생존율이 낮아지는 경향을 보였다. 주목할만한 점은 아메리카동애등에 유충이 극한의 단백질 부족 상황에 대해 높은 저항성을 나타냈다는 점이다. 성충 이전 단계의 생존율은 P:C 1:1.7 비율에서 최대로 나타났다. 발달 시간은 P:C 1:1.56 - 1:1.11 비율에서 가장 짧았으며, 단백질 농도가 35 g l-1 이하일 때 급격하게 증가했다. 성충의 몸무게는 탄수화물 쪽으로 치우친 P:C 1:3.16 - 1:3.36 비율에서 정점을 나타났으며, 음식물의 탄수화물 농도가 감소할수록 몸무게도 점차 감소하였다. 성장율의 최고점은 P:C 1:1.40 - 1:1.83 비율에서 나타났으며, 최고점으로부터 단백질 농도가 감소하거나, 증가할 경우 성장률도 감소하였다. 가장 중요한 지표인 진화적 적응도의 추정값은 생존율과 성장률의 곱으로 산출되었는데, 이는 P:C 1:1.37-1:1.43 비율에서 최대로 나타났다. 이와 같은 최대 지점에서의 단백질과 탄수화물 농도 조성은 아메리카동애등에의 대량 사육을 위한 최적 조건임을 의미한다. 적응도의 추정값은 최적 지점으로부터 단백질과 탄수화물 농도가 증가하거나 감소할 경우에 낮아지는 경향을 보였다. 성충의 탈지방 무게는 지방 무게와 비교하여 음식물의 단백질과 탄수화물 조성에 의한 차이가 상대적으로 크지 않은 반면, 지방 무게는 먹이의 탄수화물 농도에 따라 높은 다양성을 보였다. 이러한 결과를 종합하면 음식물의 단백질과 탄수화물의 가용성은 아메리카동애등에의 발육성적과 체성분 조성에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 특히 음식물의 단백질의 농도는 몸무게와 지방 무게를 제외한 대부분의 생활사 형질에서 가장 영향이 큰 인자로 확인되었다. 영양학적 최적점 간의 유클리드 거리(The Euclidean distance)가 가장 먼 형질은 몸무게와 발달시간이었는데, 이는 두 형질 사이에서 발생한 life-history trade-off가 가장 크게 나타났음을 의미한다. 본 연구에서 확인된 결과는 경제적으로 중요한 곤충인 아메리카동애등에의 대량 사육의 목적에 따라 최적 영양 조건을 설정함으로써 개별 형질의 발현 수준을 조절할 수 있는 가능성을 제시하고, 이를 통해 곤충 대량 생산의 효율을 향상시키기 위한 중요한 시사점을 제공한다.