有机废物由于产生速度快，在基础设施不发达的发展中国家尤其构成严重的环境挑战。在低收入和中等收入国家，食品和农业废弃物约占城市固体废物的60–70%[1]，[2]。这些废物的特点是含水量高、生物降解速度快，如果管理不当，会对环境造成严重影响，包括温室气体排放、异味产生和病原体传播[3]，[4]。因此，废物增值技术（如生物转化方法）既能减少废物量，又能将其转化为有价值的资源。
在新兴的生物转化方法中，黑水虻（BSF）幼虫因其能够高效地将多种有机底物转化为富含蛋白质和脂质的生物质而受到广泛关注，这些生物质适用于动物饲料和生物基应用[5]，[6]。与传统堆肥或厌氧消化相比，BSF系统处理时间更短，所需土地较少，并能同时生产可销售的生物质[7]，[8]，[9]，[10]。尽管兴趣日益增加，但大多数研究仍针对特定底物进行，并依赖于经验性能指标，未能阐明底物消耗与生物质生长之间的动态关系。常见的评估指标（如幼虫生物量产量、废物减少指数WRI和存活率）虽然有助于系统层面的评估，但未能揭示控制幼虫生长和底物利用的生物学和过程机制[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。
最近的研究采用了动力学和代谢建模方法来描述BSF幼虫的生长和底物利用情况，包括基于逻辑的模型和动态质量平衡框架[16]，[17]，[18]。更全面的方法进一步整合了养分吸收、生物质形成、脂质积累和二氧化碳产生等过程，提供了对幼虫代谢性能的深入理解[19]，[20]，[21]，[22]。虽然这些研究表明BSF的生长可以定量描述，但大多数模型都是针对特定底物或受控条件开发的。因此，对于物理化学性质差异较大的底物进行比较动力学分析仍然有限，尤其是在识别普遍的生长行为和速率控制机制方面。从更广泛的生物学角度来看，异养生物的生长受到养分吸收、代谢维持和能量分配的平衡调控。在动物和微生物系统中，生长通常通过生物能量框架来描述，其中吸收的底物在生物质形成和代谢损失（包括呼吸作用和维持）之间进行分配。随着底物可用性的增加，生长通常会从底物限制状态转变为生物限制状态，在这种状态下，生理能力、酶活性和代谢调节成为限制因素。在此背景下，BSF幼虫可以被视为一个复杂的生物系统，其生长不仅受底物组成影响，还受内在生理限制和代谢效率的调控。因此，明确幼虫生长是主要受底物驱动还是受内在生物学限制驱动对于建立通用动力学描述至关重要。
一个尚未解决的挑战是确定BSF幼虫生长受底物组成和内在生理限制及过程级限制（如幼虫密度、氧气可用性、热量积累和喂养制度）的影响程度，因为先前的研究表明这些因素的相对重要性很大程度上取决于实验条件。有机废物的组成、可消化性和结构复杂性存在很大差异，这些因素直接影响幼虫生长和底物转化。然而，在相似喂养条件下的性能变化表明，内部调节、微生物相互作用和环境因素也起着重要作用。这些耦合效应无法仅通过传统的经验指标来充分解释。动力学分析通过明确关联底物消耗、生物质形成和代谢损失，提供了一个定量框架来应对这种复杂性。与端到端的性能指标不同，动力学模型能够识别速率限制步骤，并区分底物驱动和内在生物学效应。尽管如此，对于具有根本不同生化特性的底物进行比较动力学研究仍然有限。
为了解决这一难题，选择了稻草废物和木薯叶作为具有显著差异的代表底物。如表1所示，基于稻草的底物富含碳水化合物和淀粉，纤维和蛋白质含量较低，因此可消化性强且底物可利用性高。稻草在许多地区（尤其是亚洲、非洲部分地区和拉丁美洲）是主要的碳水化合物来源[28]。相比之下，木薯叶的纤维含量较高，结构更复杂，并含有氰化物，这些成分会降低可消化性并可能影响代谢性能[25]，[26]。此外，加工条件（生料、熟料和发酵）的变化会影响水分含量和养分可用性，这些都是决定底物可利用性和幼虫喂养行为的关键因素。这些组成差异为评估底物依赖的动力学行为提供了合适的框架。
在之前关于BSF幼虫生长的半经验动力学模型的基础上，本研究结合了机械性的生物质-底物关系和经验拟合的动力学表达式[29]，并使用相对均匀的底物对其进行了验证[30]。与之前仅使用均匀底物开发模型的研究不同，本研究评估了不同底物和喂养率条件下的动力学框架，以识别底物限制和生物限制生长状态之间的转变。通过评估具有根本不同特性的底物，本研究旨在评估所提出动力学的普遍性，并确定控制生长动态的关键因素。因此，本研究的目标是：（i）表征稻草废物和木薯叶的物理化学性质；（ii）在受控喂养条件下量化幼虫生长和废物减少动态；（iii）评估耦合动力学模型在描述和比较不同底物生长行为方面的适用性。研究结果有望促进对BSF幼虫生物转化动力学的更普遍理解，并为异质有机废物处理系统的设计提供支持。
