黄粉虫体内聚乙烯降解特性研究

＊李强文 王鱼名 罗涛 张宏*

（1.西北民族大学化工学院 甘肃 730124 2.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室 甘肃 730124）

聚乙烯是一类通过聚合制成的热塑性树脂化合物[1]。聚乙烯在自然条件下具有良好的机械性能与化学稳定性，难以在自然条件下降解[2]。某些研究表明[3-8]，某些昆虫取食PE并有着一定的降解作用。而以黄粉虫（Tenebrio Molitor）为代表的一类昆虫，对恶劣环境适应能力强[9]；可用其处理以聚乙烯为代表的塑料废弃物。

1.实验方案

(1)聚乙烯取食特性初步研究

对黄粉虫进行了麦麸与低密度聚乙烯粉末不同质量比例的喂养，一个比例喂养时间为5天。通过麦麸/聚乙烯不同质量比喂养黄粉虫，初步探究了聚乙烯在其中产生的影响。

(2)聚乙烯降解菌的富集与分离

黄粉虫的纯化培养，使之恢复到正常的生长状态，确定最佳生长条件。收集咀嚼足够的PE膜的蜡虫的幼虫或黄粉虫，浸泡在乙醇中消毒，经过无菌盐水冲洗取出肠道，放入含有无菌盐水的离心管中，均匀五分钟。去除肠道组织，将清液接种到含有PE和液态无碳基培养基（LCFBM，Liquid Carbon-free Basal Medium）的锥形瓶中，在振荡器中培养。培养24h后，将形成的菌落转移到含有新鲜琼脂培养基的平板上，直到获得纯净的分离菌株。

(3)聚乙烯粉末降解作用的红外光谱表征

红外光谱能够对物质微观结构的变化进行表征。在本项目实验中，利用红外光谱对原聚乙烯粉末和取食聚乙烯粉末后的虫体排泄物进行红外表征。聚乙烯经过虫体的宏观过程之后，红外光谱可展现出此过程中聚乙烯微观结构官能团的变化。

(4)聚乙烯膜体表面形态电镜表征

经过预处理的聚乙烯膜体作为空白对照，经过聚乙烯降解作用之后的聚乙烯膜体为实验组。分别进行聚乙烯膜体的电镜表征，能够直观的体现出膜体表面发生的变化。

(5)黄粉虫取食聚乙烯粉末的生命特性探究

在实验项目前期对聚乙烯取食特性的研究基础上，本实验项目对黄粉虫的聚乙烯取食特性进行了系统性研究。统计了不同聚乙烯质量比对黄粉虫失重率和存活率的影响。

2.结果与讨论

(1)黄粉虫取食聚乙烯特性初步研究

麦麸与低密度聚乙烯粉末质量比例分别为9:1、4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4、1:9、0:1，对黄粉虫进行了十个不同质量比例的喂养，一个比例喂养时间为5天。通过麦麸/聚乙烯不同质量比喂养黄粉虫，初步探究了聚乙烯在其中产生的影响。如图1，结果显示不同质量的聚乙烯粉末添加量的变化会影响到黄粉虫净重变化量。

图1 黄粉虫净重变化量与聚乙烯粉末添加量的关系

(2)黄粉虫体内降解聚乙烯微生物的初步分离

收集一定数量的黄粉虫，分离肠道内容物并去除悬浮物，清液作为接种物被转移到含有1g低密度聚乙烯粉末和80mL LCFBM的250mL锥形瓶中，120rpm、30℃水浴恒温振荡培养14天。将上述锥形瓶中的培养物涂布于CFBAM，两天后出现明显菌落。接种环挑取菌落于LCFBM中形成菌液，菌液在6℃的防爆冰箱中保存。

(3)黄粉虫聚乙烯降解性能的红外表征

为研究聚乙烯粉末在通过黄粉虫肠道系统前后发生的具体变化，本研究项目对聚乙烯粉末、取食聚乙烯黄粉虫的粪便和取食麦麸黄粉虫的粪便进行了固体样品的红外分析，红外分析见图2。

图2 聚乙烯粉末、取食聚乙烯黄粉虫粪便和取食麦麸黄粉虫粪便的红外分析

3100～3000cm-1处有吸收峰，可知含有芳香环或者烯烃类。2922.53cm-1处有吸收峰，说明存在脂肪族C-H伸缩振动强峰，1398.28cm-1为弯曲振动强峰。在1652.71cm-1有吸收峰，则说明有C-O伸缩振动。由于实际聚乙烯很少是完全线性的，低密度聚乙烯有许多支链，因此在1394cm-1处附近能观察到甲基弯曲振动的谱带。840～790cm-1处的吸收峰为烯烃三取代C=C弯曲振动。食用聚乙烯的粪便和食用麦麸的粪便光谱在700～800cm-1都出现了强烈的吸收峰，表明聚乙烯在昆虫体内发生了变化。食用聚乙烯的粪便在1100cm-1附近的吸收峰表明在昆虫体内产生了无机磷酸盐类或者酯族醚类物质。

(4)降解作用前后聚乙烯膜表面形态变化

聚乙烯膜体表面劣化是降解效能的重要依据，能够直观的表达出微观上的变化。本项目对降解作用前后的聚乙烯膜体进行了电镜表征，电镜表征图如图3、图4。

图3 降解作用前聚乙烯膜体表面形态

图4 降解作用后聚乙烯膜体表面形态

根据以上表征图片可知，降解作用前后的聚乙烯表面形态有较为明显的变化。但是这样一种变化常被认为是不太正常的现象，甚至不能说这样一种变化是由菌种的降解作用所引起的。因为菌种对于膜体材料的降解作用，通常被认为是一种均匀的劣化。

(5)黄粉虫取食聚乙烯粉末生命特性探究

为探究黄粉虫取食聚乙烯粉末之后生命特性有关现象，参考许诗杰等人[7]的相关研究，本项目对黄粉虫进行了麦麸/LLDPE不同质量比例的规律喂养实验。在黄粉虫恢复到正常的生长状态以后，分组培养；麦麸/LLDPE质量比例分别为0:1、2:3、4:1、1:4、3:2、1:0，总质量为15g；每组实验使用150条生长状态良好的黄粉虫，每个质量比例同时做两组实验。数据统计如表1，数据分析见图5、图6。

图5 饲养麦麸与LLDPE混合料黄粉虫存活率

图6 饲养麦麸与LLDPE混合料黄粉虫平均虫质量

表1 黄粉虫取食聚乙烯生命特性数据详细

由图5可知在饲养过程中，无论麦麸/LLDPE质量比例如何变化，整体趋势为下降。其中比例为0:1的组别，也就是单纯喂养聚乙烯，存活率下降最为显著，表明了聚乙烯粉末对黄粉虫的抑制作用。其它组别在一定范围内变化，但区分不明显，区分不明显的原因可能是其它组别添加的麦麸对于黄粉虫在整个饲养过程中尚未利用完全。

图6中体现的是在饲养的在整个过程中，黄粉虫虫体平均质量的变化。喂养过程中虫体质量应该是有一定的增长的，但是由图6可知整体呈下降趋势，也就是说饲养过程中，各组别的黄粉虫一直是处于一个失重的状态。其中0:1的组别（完全由聚乙烯饲养）下降的最快，其它组别下降趋势线虽然较为靠近，但仔细辨别还是能够观察出随着聚乙烯添加量的增加黄粉虫虫体平均质量下降的更快。黄粉虫的正常生长需要适宜的温度和湿度，实验保持培养温度为最适温度。所以关于虫体为什么一直处于一个失重的状态，推测为培养环境中较低的空气湿度所引起的。

3.总结与展望

(1)加快各种降解过程的机理研究

针对聚乙烯降解，相关的研究有不同的具体效果；但是对于降解的具体变化过程的研究较少，而这却十分有必要。在探索清楚聚乙烯的降解机理之后，可改变一些客观条件去强化降解过程的某一个环节，可能会在聚乙烯的降解效能上有一个较大的提升。

(2)虫体降解产业化应用

生物降解被认为是治理塑料污染有希望的一个发展研究方向，而昆虫的产业化养殖是昆虫降解塑料的一项重大优势，由此可知昆虫降解聚乙烯背后的巨大潜力。

(3)降解技术、降解塑料双向发力

以聚乙烯为代表的塑料制品，相关的降解研究有一定的效果，但单独靠生物降解来消除塑料污染还不太现实，由此提出两项展望意见。第一，如前所述加强过程研究、强化降解关键环节，以提升微生物的降解能力，是一个着重点。第二，加大对生物降解塑料的研发投入，使塑料主体更容易被降解，是治理塑料污染的又一个重点。