昆虫降解塑料的机制及其研究方法

唐启河,董志祥,李还原,陈奕霏,郭 军

(昆明理工大学 生命科学与技术学院，昆明 650500)

塑料是一种被广泛应用于农业、工业、医疗器械等方面的高分子量聚合物[1]。塑料与纸张和金属等材料相比，其回收率非常低，仅约9%被回收，其余12%被燃烧，79%被填埋在垃圾场或丢弃在自然环境中[2-4]。这些传统处理塑料的方法存在许多缺陷，塑料在自然环境中降解会发生破碎形成微塑料[5]，会对生态环境造成严重污染，现已在全球233 种海洋生物中发现有微塑料颗粒的存在[6]；用焚烧法处理塑料，虽然处理的相对彻底，但会产生二噁英等有毒有害气体[7]；而塑料回收利用的成本和技术要求高、难度大[8]，所以需要寻找到一种既安全又实用的新方法来处理塑料垃圾。近些年有研究发现某些害虫类昆虫可以取食塑料。如印度谷螟(Plodiainterpunctella)的幼虫可以啮食由聚丙烯或聚乙烯组成的塑料包装而后进行取食[9]。Yang等[10]通过实验研究发现昆虫降解塑料是其肠道微生物的作用。因此，本文重点对取食塑料的昆虫种类、昆虫降解塑料的机制以及研究降解机制的方法进行综述。

1 取食、降解塑料的昆虫种类

20世纪50年代，有研究人员发现昆虫对塑料包装具有破坏力，并开始研究其对塑料的食性[2]。然而在这些研究中，并未去调查昆虫是否降解了塑料。陈重光[11]首次报道了黄粉虫(Tenebriomolitor)幼虫可降解塑料，而且黄粉虫取食塑料量与其体重增重量的比值为1∶3，但该研究似乎并没有引起学术界的注意，这也许是其没有严谨的实验数据支撑。秦小燕[12]以取食塑料的印度谷螟(P.interpunctella)为研究对象，将其粪便通过高温凝胶渗透色谱法和红外光谱法进行科学的分析，证实其具有降解塑料的能力。此后，对昆虫降解塑料的研究越来越多，但也主要集中于黄粉虫(T.molitor)、大麦虫(Zophobas.morio)和大蜡螟(Galleriamellonella)这3种昆虫。

1.1 黄粉虫

昆虫降解塑料最早研究的就是黄粉虫(T.molitor)，目前，对黄粉虫降解塑料的研究较多的是关于其对不同种类塑料的取食和降解效率。如徐富凯等[13]分别给黄粉虫饲喂100 cm3的聚乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料，在30 d后发现黄粉虫对聚苯乙烯泡沫塑料的降解较快，降解速率为0.022 1 cm3/(d·虫)，而对聚乙烯的降解速率为0.004 1 cm3/(d·虫)。另外，有研究发现，黄粉虫更喜取食混合塑料。张可等[14]分别给黄粉虫饲喂30.25 cm2添加了淀粉和不加淀粉的聚乙烯薄膜，发现黄粉虫对含淀粉的聚乙烯取食速率更快，为0.012 1 cm2/(d·虫)，而其对纯聚乙烯薄膜的取食速率为0.005 0 cm2/(d·虫)。Brandon等[15]报道了黄粉虫在32 d内对纯聚乙烯组和聚乙烯+麸皮组的塑料降解质量分别为(0.87±0.00)g和(1.10±0.12)g，也证实了黄粉虫更喜取食混合塑料。不仅如此，黄粉虫降解塑料速率还与塑料材质有关，对硬度较小和表面粗糙的材料取食速率更快[16]。

1.2 大麦虫

大麦虫(Z.morio)是我国近几十年才开始饲养的一种资源昆虫，目前，对大麦虫的研究报道主要是在营养价值[17]、饲养管理[18]和开发应用[19]等方面。近年来研究人员发现大麦虫幼虫能取食塑料，与黄粉虫相似的是，大麦虫也对取食不同类型的塑料具选择性。苗少娟等[20]分别给大麦虫饲喂珍珠棉和聚苯乙烯，发现其更喜取食薄、软、泡沫化程度较高的珍珠棉，每kg大麦虫的取食速率为6.2 g/d，而相对较厚、硬的聚苯乙烯其取食速率较低，每kg大麦虫的取食速率为2.4 g/d。还有人发现大麦虫取食泡沫塑料的能力是由食物与水分决定的，当水分和营养物质供应充足时，大麦虫幼虫取食泡沫塑料的能力会有所增加[21]。

1.3 大蜡螟

大蜡螟(G.mellonella)具有取食并降解聚乙烯塑料的能力，最早是在2017年，Bombell等[22]报道的，并发现其降解速率为0.076 7 mg/(h·虫)。通过进一步分析发现可能是由于大蜡螟幼虫的食物是蜂蜡，而其化学结构有与聚乙烯一样的碳氢键(CH2-CH2)，所以聚乙烯可以被大蜡螟幼虫消化。由于昆虫降解塑料是肠道微生物的作用，因此，近期有关大蜡螟降解塑料的报道偏重于其肠道微生物对塑料的降解。如Zhang等[23]把大蜡螟的肠道研磨后，从中分离出一株可以将高密度聚乙烯降解的真菌(AspergillusflavusPEDX3)，该菌在28 d后，对高密度聚乙烯的降解失重率为3.9025%±1.1800%。

1.4 其他取食、降解塑料的昆虫

目前发现有14种昆虫可以取食、降解塑料，除去以上3种可取食降解塑料的昆虫之外，另外11种昆虫喜好取食塑料泡沫产品的种类详见表1。其中除印度谷螟(P.interpunctella)有报道可降解塑料外，其余10种昆虫是否具有降解塑料的能力还有待进一步研究。

表1 可取食塑料的昆虫种类Table 1 Insect species that can eat plastic at home and abroad

2 昆虫降解塑料的机制

2.1 昆虫肠道微生物的作用

对于昆虫降解塑料机制的研究，目前较清楚的3种昆虫为黄粉虫、印度谷螟和大蜡螟。黄粉虫幼虫能取食聚苯乙烯泡沫塑料并使其体重增加，这也许是其肠道微生物的作用，而非黄粉虫自身肠道分泌的酶液在作用。沈叶红[33]提取了黄粉虫幼虫的肠道粗酶液涂抹于聚苯乙烯、聚乙烯薄膜，发现幼虫的肠道粗酶液对聚苯乙烯和聚乙烯薄膜的降解无影响，随后Yang等[10]为了验证黄粉虫肠道细菌的降解塑料能力，他们先给其喂养10 d的抗生素，来抑制黄粉虫的肠道细菌活性，然后再饲喂聚苯乙烯，发现黄粉虫幼虫会丧失降解聚苯乙烯的能力，并在其肠道中分离出一株可降解聚苯乙烯的细菌YT2，该菌28 d内即可在聚苯乙烯薄膜上形成生物膜，并使薄膜疏水性降低和膜表面上形成明显的凹坑。不仅黄粉虫幼虫的肠道细菌可以降解塑料，其肠道真菌同样具塑料降解能力。孔芳等[34]在黄粉虫幼虫的肠道提取液中分离到一株降解聚苯乙烯性能较好的真菌Aspergillusniger，该真菌在60 d内，对聚苯乙烯颗粒减少了214.8 mg，这说明该真菌能有效降解聚苯乙烯颗粒。秦小燕[12]从取食了聚乙烯的印度谷螟中分离出7株肠道细菌，将细菌分别与聚乙烯共培养后，聚乙烯薄膜出现了明显的裂缝和孔洞，且发现降解聚乙烯的优势菌为球菌和杆菌，后来该实验室的潘洪[35]把7株降解菌中的T3菌单独进行降解聚乙烯实验，通过扫描电镜实验发现T3菌对聚乙烯薄膜具有从表层开始逐渐向内部的侵蚀作用。此后，高超等[29]也从印度谷螟幼虫肠道中分离出1株可降解聚乙烯塑料的细菌，并鉴定其为霍氏肠杆菌(Enterobacterhormaechei)，该菌在10、30和60 d内对聚乙烯的降解量分别为1.55%、4.24% 和12.17%。同样，Yang等[24]把从大蜡螟肠道中分离得到的8株细菌与聚乙烯薄膜共培养，发现菌株YT1和YP1在培养28 d后，聚乙烯薄膜的疏水性下降、薄膜表面有明显的破坏，特别是其抗拉强度下降50%以上；在培养60 d后，菌株YP1降解100 mg的聚乙烯膜可达10.7%±0.2%，而菌株YT1为6.1%±0.3%，且两者的培养液中都检测出了新产物。最近，胡亚楠等[27]通过聚乙烯驯养大蜡螟后，也从其肠道中分离出3株对聚乙烯具较强降解能力的细菌XJDLM-3、XJDLM-8和XJDLM-12，这3株细菌在30 d内对聚乙烯失重率分别为8.07%、5.66%和5.38%。这些说明印度谷螟和大蜡螟降解塑料也依赖其肠道微生物。

综上所述，黄粉虫肠道中的细菌YT2和真菌Aspergillusniger、印度谷螟肠道中的菌株T3以及大蜡螟肠道中的菌株YT1、YP1等都可有效的降解塑料，这些昆虫都依赖其肠道微生物的作用来降解塑料。

2.2 昆虫降解塑料的过程

根据相关研究可把昆虫降解塑料的过程分为5个阶段：(1)昆虫通过口器啮食塑料进入肠道；(2)肠道内的微生物黏附侵蚀塑料；(3)通过细胞色素P450单加氧酶等生物酶的氧化作用或水解作用使塑料解聚成低聚物片段；(4)低聚物的化合键断裂，形成脂肪酸；(5)脂肪酸通过昆虫的生物代谢而被利用[12,36]。

2.3 昆虫取食塑料对自身生长发育的影响

塑料垃圾一般都带有较强的毒性，昆虫在取食塑料后，是否会影响它的生命特征，在体内是否会积累毒性。为此，研究仅让昆虫取食塑料泡沫，使其营养结构失衡，然后发现昆虫会出现自相残食、抵抗力较低、生长活动变缓、死亡率增高等现象[20-21]。Yang等[24]发现黄粉虫幼虫仅取食聚苯乙烯塑料与仅喂食麦麸的黄粉虫幼虫的存活时间一致，都可达一个月以上，这说明塑料对黄粉虫自身并无毒性。取食塑料的黄粉虫幼虫是否会对此后的生物链具有影响，仅有沈叶红[33]做了验证，其把取食了聚乙烯塑料或聚苯乙烯泡沫塑料的黄粉虫来喂食小鼠，通过对小鼠的形态学观察和五脏的组织切片观察，发现取食聚乙烯和聚苯乙烯后的黄粉虫对小鼠的五脏并不存在影响，说明取食塑料的黄粉虫对小鼠并无生理毒性影响，而对于取食塑料的黄粉虫幼虫是否还会对其他取食昆虫的动物(如鸟类和鱼类等)有毒性影响，这还需进一步实验研究。

3 研究降解机制的方法

3.1 产物分析法

该方法是指通过分析仪器或化学方法，对昆虫取食消化后的塑料产物或昆虫匀浆处理过的塑料样品进行分析，来间接研究昆虫对塑料的降解。Bombell等[22]将大蜡螟幼虫研磨成匀浆涂抹于聚乙烯薄膜上，然后通过对聚乙烯薄膜进行重量分析、高效液相色谱仪-质谱联动技术分析、傅里叶变换红外光谱仪分析和原子力显微镜分析，最后得出大蜡螟幼虫可对聚乙烯塑料进行降解。秦小燕[12]通过把印度谷螟幼虫取食消化聚乙烯后的粪便和聚乙烯薄膜样品通过高温凝胶渗透色谱法和红外光谱法比较分析发现，经过该幼虫代谢的聚乙烯会转变为低分子量物质，其官能团也会发生变化，说明该幼虫可代谢降解聚乙烯。苗少娟和张雅林[20]对大麦虫取食不同塑料原料制品后的排泄物进行了热重分析、同步差热分析和傅里叶转换红外光谱分析，确定大麦虫取食聚氯乙烯后的排泄物与聚氯乙烯相比，红外特征峰以及热特性均发生较大的变化，初步断定大麦虫能消化塑料。

3.2 稳定同位素示踪法

稳定同位素示踪是指利用稳定的同位素对所研究的化合物进行标记，通过分析仪器在不同时间测定该同位素或该化合物反应后的位置和数量等变化，了解其反应的机制和途径[37]。在昆虫降解塑料的机制研究方面，仅有Yang等[10]通过采用13C标记的聚苯乙烯去喂养黄粉虫16 d，然后对黄粉虫自身以及所产粪便和气体进行同位素检测，黄粉虫摄入的聚苯乙烯泡沫塑料中13C拥有不同的命运，其中47.7%被转化为CO2，49.2%随粪便排出，仅约0.5%的13C被黄粉虫所同化进入脂质中。虽然Yang利用稳定同位素示踪方法把聚苯乙烯在黄粉虫中的命运基本解释清楚，但是对聚苯乙烯是如何被黄粉虫所同化这一过程却并未解释清楚，还需进一步研究。

3.3 细菌培养法

该方法主要是利用不同的培养基去分离细菌，然后对分离出的细菌通过观察菌落形态、细菌的革兰氏染色以及生理生化反应等方法进行鉴别[38]。何欢等[39]通过使用3种不同的培养基从饲喂聚乙烯塑料的大蜡螟幼虫的肠道中分离出细菌40株，通过鉴定发现9株为芽孢杆菌属(Bacillus)、4株为肠球菌属(Enterococcus)、2株为葡萄球菌属(Staphylococcus)和1株为不动杆菌属(Acinetobacter)，并发现肠道可培养细菌的优势细菌种类为芽孢杆菌属(Bacillus)。细菌培养法虽然已经相对成熟，但也存在一些局限性，如耗时较长、培养的温度限制、某些细菌需要特殊条件培养等，另外有人估计，用细菌培养法培养的自然界细菌不到1%[40]。

3.4 宏基因组学方法

与细菌培养法相比，宏基因组学研究无需对每个微生物进行分离培养，而是直接从样品中提取全部微生物的核酸，通过测序或构建宏基因组文库，来探究样品中微生物的群落结构、功能和挑选新的基因，该方法可弥补细菌培养法的不足[41]。而高通量测序技术是宏基因组学中关键的技术之一，其可以被用来发现昆虫降解塑料的关键微生物及其关键基因，Brandon等[15]利用高通量测序方法研究了取食聚苯乙烯和聚乙烯的黄粉虫肠道微生物，发现黄粉虫肠道中有两种OUT(Citrobactersp.和Kosakoniasp.)与聚苯乙烯和聚乙烯的降解密切相关。曹沁等[25]同样也利用高通量测序研究取食聚氯乙烯的黄粉虫幼虫肠道微生物菌群，发现其肠道菌群中哈夫尼菌属(Hafnia)和摩根氏菌属(Morganella)的丰度分别比常规饲养对照增加了35.20%和16.42%，而且这2个菌株对聚氯乙烯的利用效率最高。

4 展望

昆虫具有生长快、繁殖强等优点，而且黄粉虫、大麦虫等昆虫的养殖技术已经基本完善，这使得昆虫具有实现工厂化处理塑料废物的潜力，采用昆虫取食消化塑料的方式，既可以实现塑料废物的回收利用价值，又具有保护环境和生态的效益，也为解决塑料污染这一世界性难题提供了新的方法。

目前科学家对昆虫取食和消化多种塑料的降解机制研究，尚处于初级阶段，还有许多的不足，如降解的产物成分及其性质并未清楚，某些昆虫降解塑料的机制还尚不明确，昆虫取食消化塑料是怎样的代谢通路等。因此，今后对昆虫降解塑料的研究，有如下几点展望：(1)对更多的昆虫展开塑料降解研究，扩展出具有强塑料降解能力的微生物，找到更具塑料降解应用价值的微生物；(2)对昆虫肠道中具降解能力的微生物开展更深入的研究，如将降解能力强的微生物回植于宿主昆虫体内，查看昆虫降解塑料能力是否增加，为昆虫降解塑料工厂化提供基础；(3)尝试饲喂带油污等污染物的塑料看是否能够被昆虫降解；(4)另外还可对塑料和昆虫食物共同饲喂，研究出一种较佳的含塑料的昆虫饲料配方，使昆虫能够健康生长。本文总结了昆虫降解塑料的机制及其研究方法，并简要介绍了能降解塑料的昆虫种类，希望有助于了解昆虫是如何降解消化塑料，为研究昆虫降解塑料提供新的方法和帮助，也为进一步利用昆虫降解环境污染物提供依据。