Insect-mediated bioconversion for organic waste valorization: understanding and exploiting the digestion capability of Hermetia illucens larvae

Insect-mediated bioconversion of organic waste and by-products from agri-food supply chains can represent an innovative strategy to valorize low-value biomass and obtain sustainable bioproducts according to circular economy criteria. To this purpose, one of the most promising agents for bioconversion is the Black Soldier Fly (BSF) (Hermetia illucens; Diptera: Stratiomyidae), whose saprophagous larvae can grow on a wide variety of low-quality organic matter. In particular, we are investigating the biotransformation efficiency of the Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW) by BSF larvae, with the final aim to obtain biobased materials with low environmental impact and high technological value, such as bioplastics and biodiesel (from insect proteins and lipids respectively). As the midgut plays a fundamental role in the insect-mediated bioconversion processes, we evaluated the digestion capability of BSF larvae reared on two substrates with different nutritional content that mimic the composition of OFMSW. Our results showed that the larvae can compensate variations in nutrient composition of the substrate by post-ingestion responses, through the regulation of gene expression and activity of digestive enzymes. Indeed, despite differences in diet composition, we observed similar larval performances, and similar larval and pupal chemical compositions. To evaluate in depth the lipid profile we performed a lipidomic analysis on larvae and pupae reared on the two diets. The results indicated that the rearing substrate composition affects lipid composition in both developmental stages. These data set the stage to evaluate how the developmental stage and the rearing substrate affect BSF metabolism and lipid composition, and can also be useful to assess if the lipids from Hermetia illucens reared on OFMSW are suitable for biodiesel production. The study was funded by Fondazione Cariplo (Project title: Turning Rubbish Into biobased materials: a sustainable CHain for the full valorization of organic waste (RICH), protocol n. 2020-0900).

La bioconversione mediata da insetto di rifiuti organici e sottoprodotti delle filiere agroalimentari può rappresentare una strategia innovativa per valorizzare biomasse di ridotto valore e ottenere bioprodotti sostenibili in accordo con i criteri di economia circolare. Uno dei più promettenti agenti di bioconversione utilizzabile in questo ambito è la mosca soldato nera (Hermetia illucens; Diptera: Stratiomyidae), le cui larve saprofaghe possono crescere su svariati substrati organici. In particolare, stiamo valutando l’efficienza di biotrasformazione della Frazione Organica del Residuo Solido Urbano (FORSU) da parte delle larve di questo insetto con l’obiettivo di ottenere biomateriali a basso impatto ambientale e alto valore tecnologico, come bioplastiche e biodiesel (rispettivamente, dalle proteine e dai lipidi estratti dagli insetti). L’intestino medio degli insetti è coinvolto nei processi di digestione e assorbimento dei nutrienti e ha quindi un ruolo fondamentale nei processi di bioconversione. Per questa ragione abbiamo valutato la performance digestiva delle larve di H. illucens allevate su due diversi substrati che mimano la composizione della FORSU. I risultati indicano che l’insetto è in grado di sfruttare efficacemente diete con differenti valori nutrizionali grazie a meccanismi di regolazione dell’espressione genica e dell’attività degli enzimi digestivi. Infatti, nonostante le differenze nella composizione delle diete, non abbiamo osservato differenze né nei parametri di sviluppo delle larve né nella composizione chimica delle larve e delle pupe. Per valutare in dettaglio il profilo lipidico abbiamo condotto un’analisi lipidomica su larve e pupe allevate sulle due diete. I risultati hanno indicato che il substrato di allevamento influenza la composizione lipidica in entrambi gli stadi di sviluppo. Questi dati pongono le basi per valutare come lo stadio di sviluppo e il substrato di allevamento influenzino il metabolismo e la composizione lipidica di questi insetti, inoltre possono essere utili per valutare se i lipidi ottenuti da H. illucens allevata su FORSU siano adatti alla produzione di biodiesel. Lo studio è stato finanziato da Fondazione Cariplo (Titolo del progetto: Turning Rubbish Into biobased materials: a sustainable CHain for the full valorization of organic waste (RICH), protocol n. 2020-0900).