許詩杰，張雅林

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院 植保資源與病蟲害治理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

塑料具有成本低、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被大量使用，但塑料分子量高、穩(wěn)定性高導(dǎo)致其在自然界中不能自然降解，造成白色污染，引起人們的廣泛關(guān)注[1-3]。最常見的塑料有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等[4]。目前關(guān)于塑料生物降解的研究主要集中于微生物領(lǐng)域，包括一些細(xì)菌、霉菌等，這些微生物對塑料的生物降解會受到環(huán)境因素的影響，如溫度、光照、pH值等[5-6]。除微生物對塑料的生物降解外，研究人員還發(fā)現(xiàn)一些昆蟲能夠取食降解塑料，并對此展開了相關(guān)研究。黃粉蟲(Tenebriomolitor)可以取食降解泡沫聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)，并從其腸道分離得到能夠降解聚苯乙烯的細(xì)菌菌株(Exiguobacteriumsp.)YT2[7-11]。大麥蟲(Zophobasmorio)可以取食不同塑料，尤其喜食薄、軟、泡沫化程度高的塑料[12-13]；印度谷螟(Plodiainterpunctella)幼蟲可以取食聚乙烯薄膜，并從其腸道分離得到能夠降解聚乙烯的2個(gè)細(xì)菌菌株(Enterobacterasburiae)YT1和(Bacillussp.)YP1[14]。此外，谷蠹(Rhyzoperthadominica)、煙草甲(Lasiodermaserricorne)和米象(Sitophilusoryzae)可以損壞食品包裝薄膜并造成孔洞，根據(jù)損害特征可以判斷是何種害蟲危害[15-16]。這些昆蟲取食降解塑料現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為塑料的生物降解研究提供了新思路，但取食塑料的昆蟲個(gè)體及種群生長發(fā)育相關(guān)參數(shù)是否受到影響尚未見報(bào)道。因此，本研究以取食泡沫聚苯乙烯(PS)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)的黃粉蟲為研究對象，對其在單頭飼養(yǎng)和群體飼養(yǎng)條件下的生命特征展開研究，以期為實(shí)現(xiàn)黃粉蟲規(guī)?；到馑芰咸峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試 蟲 黃粉蟲(Tenebriomolitor)，由西北農(nóng)林科技大學(xué)昆蟲博物館養(yǎng)蟲室提供。

1.1.2 材 料 泡沫聚苯乙烯(PS)，購自河北德鵬建材有限公司；線性低密度聚乙烯(LLDPE)粉劑，購自中國石化；超市購物袋(HDPE)、農(nóng)膜(PE)、麥麩等。

1.2 試驗(yàn)儀器

BIC-300人工氣候箱，萬分之一電子天平，解剖鏡，飼養(yǎng)器具(養(yǎng)蟲盒、產(chǎn)卵箱和不同孔徑篩子)，90 mm培養(yǎng)皿等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黃粉蟲單頭飼養(yǎng) 采用組建黃粉蟲年齡-齡期兩性生命表的方法，對取食聚苯乙烯、線性低密度聚乙烯的黃粉蟲在單頭飼養(yǎng)條件下的生命特征進(jìn)行研究；觀察僅將聚苯乙烯(PS)和線性低密度聚乙烯(LLDPE)作為黃粉蟲唯一食物時(shí)，該蟲是否可以正常完成生長發(fā)育。同時(shí)，設(shè)置正常飼喂麥麩處理和饑餓處理作為對照。具體方法如下：

室內(nèi)以麥麩飼養(yǎng)黃粉蟲成蟲，在成蟲始產(chǎn)卵后接一批卵用于孵化幼蟲，孵化出的幼蟲作為試驗(yàn)用蟲備用。按照Park等(2014年)[17]報(bào)道的體長標(biāo)準(zhǔn)選取大小一致(齡期一致)的黃粉蟲，分別以PS、LLDPE和麥麩于90 mm培養(yǎng)皿中進(jìn)行單頭飼喂，每個(gè)處理設(shè)置以下幾種對比試驗(yàn)組。a.PS處理：分別選取2齡、4齡、8齡、12齡、14齡幼蟲各100頭，將PS作為唯一食物進(jìn)行單頭飼喂；b.LLDPE處理：分別選取10齡、12齡、14齡幼蟲各100頭，將LLDPE作為唯一食物進(jìn)行單頭飼喂；c.麥麩處理：分別選取12齡、14齡幼蟲各100頭，將麥麩作為唯一食物進(jìn)行單頭飼喂；d.饑餓處理：選取12齡幼蟲100頭進(jìn)行單頭饑餓處理。

每天定時(shí)對黃粉蟲的生長發(fā)育情況進(jìn)行觀察，根據(jù)取食情況及時(shí)更換食物，清理蛻皮及蟲糞，記錄其蛻皮日期、死亡情況等。幼蟲化蛹后，在解剖鏡下對蛹進(jìn)行雌雄鑒別，稱量蛹質(zhì)量，出現(xiàn)成蟲后，取雌雄蟲進(jìn)行配對并于培養(yǎng)皿中繼續(xù)飼喂，培養(yǎng)皿底部鋪一張濾紙作為接卵紙，上鋪一層麥麩，每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)卵量，直至成蟲死亡。

試驗(yàn)均于溫度為27 ℃、相對濕度為(70±5)%的人工氣候箱中進(jìn)行。

1.3.2 黃粉蟲群體飼養(yǎng) 通過設(shè)計(jì)不同的飼喂方式、飼喂比例，觀察黃粉蟲在群體飼養(yǎng)條件下取食PS等塑料后的生長發(fā)育情況，比較分析黃粉蟲的生命特征變化。

(1)PS和麥麩混合飼喂黃粉蟲試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)麥麩PS混合飼喂、麥麩PS交替飼喂和麥麩PS梯度飼喂3組處理，其中麥麩PS混合飼喂設(shè)麥麩與PS質(zhì)量比分別為0∶1，1∶3，1∶1，3∶1，1∶0 5個(gè)水平；麥麩PS交替飼喂每10 d更換1次，即先飼喂PS 10 d，再換麥麩飼喂10 d，再換PS飼喂10 d，如此重復(fù)；麥麩PS梯度飼喂按照以下麥麩與PS質(zhì)量比進(jìn)行飼喂：1～10 d(麥麩與PS質(zhì)量比3∶1，下同)，11～20 d(1∶1)，21～30 d(1∶3)，30 d以后(0∶1)。

(2)不同塑料單獨(dú)飼喂黃粉蟲試驗(yàn)。試驗(yàn)選用PS、HDPE和PE分別飼喂黃粉蟲，其中HDPE和PE需要剪成小片，以饑餓處理為對照。

(3)LLDPE和麥麩混合飼喂黃粉蟲試驗(yàn)。按照麥麩與LLDPE質(zhì)量比分別為0∶1，1∶4，2∶3，3∶2，4∶1，1∶0進(jìn)行飼喂。

選取一批12齡左右黃粉蟲進(jìn)行飼喂試驗(yàn)。每組試蟲100頭，重復(fù)3次。

飼養(yǎng)過程中及時(shí)清除死蟲、蛻皮、蟲糞等，每隔10 d更換1次食物，統(tǒng)計(jì)存活蟲數(shù)，稱量總蟲質(zhì)量，計(jì)算存活率、平均蟲質(zhì)量等。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)年齡-齡期兩性生命表理論[18-19]統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)，在軟件TWOSEX-MSChart(http://140.120.197.173/ecology/Download/TWOSEX-MSChart.rar)中用Bootstrap方法計(jì)算，得到不同處理相關(guān)參數(shù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤；運(yùn)用Excel和SPSS 21.0計(jì)算得到蛹質(zhì)量、存活率和平均蟲質(zhì)量等數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤。運(yùn)用Paired bootstrap test(成對自助檢驗(yàn)法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，運(yùn)用SigmaPlot 12.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 取食塑料后黃粉蟲單頭飼養(yǎng)結(jié)果

2.1.1 不同齡期黃粉蟲生長發(fā)育比較 試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，2齡、4齡、8齡和12齡PS組，10齡、12齡LLDPE組及12齡饑餓組黃粉蟲均不能完成正常的生長發(fā)育，于幼蟲期全部死亡；而12齡麥麩組黃粉蟲能完成正常的生長發(fā)育。由表1可知，2齡、4齡、8齡和12齡PS組黃粉蟲的存活時(shí)間隨齡期增大而延長，4齡、8齡和12齡PS組黃粉蟲的蛻皮次數(shù)隨齡期增大而增多。10齡LLDPE組黃粉蟲的存活時(shí)間和蛻皮次數(shù)均低于12齡LLDPE組。12齡PS組和12齡LLDPE組黃粉蟲的存活時(shí)間和蛻皮次數(shù)均多于12齡饑餓組，但少于12齡麥麩組?？梢娙∈砅S、LLDPE在一定程度上可以維持黃粉蟲的生長發(fā)育。

表1 不同飼喂條件下黃粉蟲的存活時(shí)間和蛻皮次數(shù)Table 1 Survival time and ecdysis times of Tenebrio molitor fed on different media

2.1.2 黃粉蟲化蛹率、平均蛹質(zhì)量和發(fā)育時(shí)間比較 觀察發(fā)現(xiàn)，取食PS和LLDPE的14齡黃粉蟲均可以完成正常生長發(fā)育。由表2可知，PS組和LLDPE組黃粉蟲的化蛹率分別為23%和31%，明顯低于麥麩組(85%)。對于黃粉蟲全部、雌性和雄性個(gè)體而言，PS組和LLDPE組黃粉蟲的平均蛹質(zhì)量均小于麥麩組。PS組黃粉蟲全部和雌性個(gè)體的平均蛹質(zhì)量均小于LLDPE組，而PS組黃粉蟲雄性個(gè)體的平均蛹質(zhì)量大于LLDPE組。可見，取食PS、LLDPE的14齡黃粉蟲的化蛹率和平均蛹質(zhì)量顯著降低。

黃粉蟲幼蟲總齡期數(shù)不固定，本試驗(yàn)中以麥麩進(jìn)行正常飼喂的黃粉蟲幼蟲總齡期數(shù)為13～20齡。根據(jù)報(bào)道，在相同營養(yǎng)條件下黃粉蟲幼蟲化蛹前最后一個(gè)齡期(P-1)歷期保持一致，歷經(jīng)不同齡期數(shù)的個(gè)體其P-1歷期無明顯差異[20]。因此，本試驗(yàn)中對P-1歷期進(jìn)行了比較，結(jié)果(表2)發(fā)現(xiàn)，PS組和LLDPE組的黃粉蟲全部、雌性和雄性個(gè)體的P-1歷期均較麥麩組顯著延長。PS組、LLDPE組和麥麩組的黃粉蟲全部和雄性個(gè)體蛹?xì)v期無明顯差異，PS組的黃粉蟲雌性個(gè)體蛹?xì)v期顯著低于LLDPE組和麥麩組。PS組、LLDPE組的黃粉蟲全部個(gè)體和雌性個(gè)體成蟲期歷期顯著低于麥麩組，PS組黃粉蟲雄性個(gè)體的成蟲期歷期低于麥麩組但無顯著差異，LLDPE組黃粉蟲雄性個(gè)體成蟲期歷期顯著低于麥麩組?？梢?，與取食麥麩相比，取食PS、LLDPE的14齡黃粉蟲P-1歷期顯著延長，成蟲期顯著縮短(P<0.05)。

表2 不同飼喂條件下14齡黃粉蟲的化蛹率、平均蛹質(zhì)量和發(fā)育時(shí)間Table 2 Pupation rate,average pupal weight and developmental time of 14th instar Tenebrio molitor fed on different media

注：All表示全部個(gè)體，F(xiàn)表示雌性個(gè)體，M表示雄性個(gè)體，P-1表示化蛹前最后一個(gè)齡期。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(成對自助檢驗(yàn)法)。下同。

Note:All indicates all individuals,F indicates female individuals,M indicates male individuals, and P-1indicates the last one instar.Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)(Paired bootstrap test).The same below.

2.1.3 黃粉蟲繁殖情況比較 從表3可以看出，與麥麩組相比，PS組、LLDPE組黃粉蟲成蟲產(chǎn)卵前期(APOP)并未受到顯著影響，但產(chǎn)卵天數(shù)和繁殖力顯著下降；與LLDPE組相比，PS組黃粉蟲APOP、產(chǎn)卵天數(shù)、繁殖力均未表現(xiàn)出明顯差異。因此認(rèn)為取食PS、LLDPE顯著縮短了14齡黃粉蟲成蟲的產(chǎn)卵天數(shù)，且顯著降低了黃粉蟲成蟲的繁殖力(P<0.05)。

表3 不同飼喂條件下14齡黃粉蟲的成蟲產(chǎn)卵前期、產(chǎn)卵天數(shù)和繁殖力比較Table 3 APOP,oviposition period and fecundity of 14th instar Tenebrio molitor fed on different media

2.2 取食塑料后黃粉蟲群體飼養(yǎng)結(jié)果

2.2.1 取食麥麩和PS混合料黃粉蟲的生長發(fā)育情況 從圖1可以看出，麥麩PS質(zhì)量比(0∶1)組即PS直接飼喂組黃粉蟲存活率下降明顯，存活率一直低于其他各組，到飼喂60 d時(shí)存活率僅為19.40%；麥麩PS質(zhì)量比(1∶3)組、麥麩PS質(zhì)量比(1∶1)組、麥麩PS質(zhì)量比(3∶1)組、麥麩PS質(zhì)量比(1∶0)組和交替飼喂組黃粉蟲存活率下降較少，到飼喂60 d時(shí)仍高達(dá)90%以上；梯度飼喂組隨著PS比例的增大黃粉蟲存活率開始下降，飼喂60 d時(shí)下降到85.90%?？梢?，將PS作為唯一食物飼喂黃粉蟲會明顯影響其種群存活率，但通過添加麥麩可以使種群存活率保持較高水平。

從圖1可以看出，麥麩PS質(zhì)量比飼喂(麥麩PS質(zhì)量比分別為0∶1,1∶3,1∶1,3∶1,1∶0)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，麥麩所占比例越高，平均蟲質(zhì)量越大，而且麥麩PS質(zhì)量比(1∶0)組顯著高于其他各組；交替飼喂組呈現(xiàn)出階梯狀走勢，只飼喂PS時(shí)平均蟲質(zhì)量基本保持不變或略有下降，飼喂麥麩時(shí)平均蟲質(zhì)量增長明顯；梯度飼喂組隨著PS所占比例的逐漸加大，平均蟲質(zhì)量增長速度也逐漸放緩?？梢?，僅取食PS黃粉蟲平均蟲質(zhì)量增長有限，顯著低于正常飼喂麥麩組。

2.2.2 取食不同塑料黃粉蟲的生長發(fā)育情況 從圖2可以看出，PS組、HDPE組、PE組、饑餓組黃粉蟲存活率變化趨勢較為一致，隨飼喂時(shí)間延長存活率呈下降趨勢，特別是飼喂20 d后存活率迅速下降，飼喂60 d時(shí)存活率分別為19.40%，15.24%，17.60%和16.27%，顯著低于麥麩飼喂組；麥麩組存活率一直保持較高水平。

從圖2可以看出，PS組、HDPE組、PE組平均蟲質(zhì)量基本保持不變，饑餓組平均蟲質(zhì)量有所下降，麥麩組平均蟲質(zhì)量則增長明顯，飼喂60 d時(shí)增長至0.180 3 g?？梢姡琍S、HDPE、PE作為食物可以在一定程度上維持黃粉蟲生長發(fā)育，但與麥麩飼喂差異顯著。

圖1 飼喂麥麩與PS混合料黃粉蟲的存活率和平均蟲質(zhì)量Fig.1 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on mixture of bran and PS

圖2 飼喂不同塑料黃粉蟲的存活率和平均蟲質(zhì)量Fig.2 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on different media

2.2.3 取食LLDPE與麥麩混合料黃粉蟲的生長發(fā)育情況 從圖3可以看出，麥麩LLDPE質(zhì)量比(0∶1)組從飼喂30 d以后存活率開始大幅下降，到90 d時(shí)下降到36.33%；麥麩LLDPE質(zhì)量比(1∶4)組、麥麩LLDPE質(zhì)量比(2∶3)組、麥麩LLDPE質(zhì)量比(3∶2)組、麥麩LLDPE質(zhì)量比(4∶1)組和麥麩LLDPE質(zhì)量比(1∶0)組始終保持很高的存活率?？梢姡瑢LDPE作為黃粉蟲唯一食物會明顯影響種群存活率，而當(dāng)添加麥麩時(shí)其存活率可以維持在一個(gè)較高水平。

從圖3可以看出，不同麥麩LLDPE質(zhì)量比飼喂下黃粉蟲平均蟲質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化，麥麩所占比例越高，平均蟲質(zhì)量越大，麥麩LLDPE質(zhì)量比(0∶1)組平均蟲質(zhì)量基本保持不變。可見，黃粉蟲通過取食LLDPE獲得的蟲質(zhì)量增長十分有限。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)對黃粉蟲在單頭飼養(yǎng)和群體飼養(yǎng)條件下取食PS、LLDPE的生命特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在單頭飼養(yǎng)只取食PS、LLDPE條件下，12齡及以下黃粉蟲不能完成正常的生長發(fā)育，且取食PS、LLDPE的黃粉蟲隨齡期的增大存活時(shí)間逐漸延長，可見隨著齡期的增大，黃粉蟲對于PS和LLDPE的取食降解能力逐漸增強(qiáng)。14齡黃粉蟲可以完成生長發(fā)育，但其化蛹率和平均蛹質(zhì)量明顯偏低，P-1歷期延長，蛹?xì)v期未受明顯影響，成蟲期縮短；雌蟲產(chǎn)卵前期未受到明顯影響，產(chǎn)卵天數(shù)縮短，繁殖力下降。取食PS、LLDPE顯著影響了黃粉蟲的存活率、發(fā)育時(shí)間和繁殖能力，造成這種影響的原因可能是：(1)營養(yǎng)不足。PS、LLDPE等塑料作為非常規(guī)食物能在一定程度上維持黃粉蟲生長，但并不能為黃粉蟲提供充足且全面的營養(yǎng)成分。(2)缺少水分補(bǔ)充。黃粉蟲的水分補(bǔ)充是通過取食含水分的食物來獲得的[21]，而塑料中基本不含有水分。(3)蛻皮困難。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，取食塑料的黃粉蟲經(jīng)常出現(xiàn)蛻皮困難導(dǎo)致死亡的現(xiàn)象，可能也與水分獲取不足有關(guān)。(4)細(xì)菌感染。黃粉蟲由于沒有獲得充足的營養(yǎng)導(dǎo)致體質(zhì)較弱，容易受到細(xì)菌感染變黑死亡。

圖3 飼喂麥麩與LLDPE混合料黃粉蟲的存活率和平均蟲質(zhì)量Fig.3 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on mixture of bran and LLDPE

由于黃粉蟲為群體性昆蟲，單頭飼養(yǎng)所得數(shù)據(jù)可能與實(shí)際群體飼養(yǎng)中有所差異[22]。本研究結(jié)果表明，群體飼養(yǎng)條件下，僅飼喂PS、LLDPE時(shí)黃粉蟲存活率下降明顯，僅飼喂PS 60 d時(shí)黃粉蟲存活率為19.40%，僅飼喂LLDPE 90 d時(shí)黃粉蟲存活率為36.33%，平均蟲質(zhì)量基本保持不變。導(dǎo)致出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除營養(yǎng)不足、缺少水分補(bǔ)充、蛻皮困難和細(xì)菌感染等外，最主要的原因是黃粉蟲的自相殘殺現(xiàn)象，在黃粉蟲無法獲取到常規(guī)食物的情況下這一現(xiàn)象變得更為突出，從而造成黃粉蟲個(gè)體的大量死亡。但是，在群體飼養(yǎng)中通過將麥麩與塑料進(jìn)行混合飼喂可以減少黃粉蟲個(gè)體之間自相殘殺的發(fā)生，使黃粉蟲種群保持較高的存活率。因此，為達(dá)到直接利用黃粉蟲降解塑料的目的，需要進(jìn)一步通過嘗試不同飼喂方式、飼喂比例、添加其他常規(guī)食物等對黃粉蟲種群進(jìn)行馴化篩選，得到一個(gè)可以最大程度降解塑料，同時(shí)又可以保證正常生長發(fā)育繁殖的種群，然后進(jìn)一步擴(kuò)增種群規(guī)模從而實(shí)現(xiàn)對塑料的規(guī)?；锝到?。

根據(jù)報(bào)道，黃粉蟲分為黃色型和黑色型2種色型，黃粉蟲的黑化程度可作為抗逆性的衡量標(biāo)準(zhǔn)[23-25]。因此，可以對黃色型和黑色型2種色型的黃粉蟲取食降解塑料的能力以及取食塑料后的生長發(fā)育情況進(jìn)行比較研究，選擇取食能力強(qiáng)，更容易完成正常生長發(fā)育的黃粉蟲色型進(jìn)行降解塑料能力的馴化。還有一些昆蟲如大麥蟲、赤擬谷盜等也具有取食塑料的能力，且大麥蟲個(gè)體較黃粉蟲更大，可能具有更強(qiáng)的降解能力。此外，還可以通過從昆蟲腸道中分離可降解塑料的細(xì)菌菌株開展對塑料降解的相關(guān)研究，這些都為塑料生物降解研究提供了新的方向。

志謝：齊心教授 (Hsin Chi，Agricultural Sciences and Technologies，?mer Halisdemir University，Nigde,Turkey)對本研究初稿做了審改，特此致謝！