■廣東省佛山市順德李兆基中學(xué)

人類產(chǎn)生垃圾的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然生物降解的速度，其中塑料垃圾不僅污染環(huán)境，也開始侵蝕人類的健康。利用人工主導(dǎo)的生物降解方法降解塑料或許是目前解決塑料垃圾問題的方向。

一、研究目的

在同類型的研究性學(xué)習(xí)中，很多學(xué)生都觀察到黃粉蟲有吞食塑料的現(xiàn)象，但僅僅觀察到這種現(xiàn)象還不足以達(dá)成利用黃粉蟲降解塑料的目的。如何證明黃粉蟲幼蟲直接取食塑料的現(xiàn)象可達(dá)成生物降解塑料的目的？

二、對黃粉蟲取食塑料的現(xiàn)象進(jìn)行探究及定性分析

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

目前的研究報告顯示，黃粉蟲對不同材質(zhì)的塑料均有取食行為，但對不同種類塑料的消化能力各異。我們想通過觀察、研究黃粉蟲吞食塑料的行為，初步檢測其腸道對塑料的降解作用，觀測塑料是否對其具有生理毒害作用。同時，篩查下一步實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究的塑料種類，確定研究方向。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

黃粉蟲幼蟲購自廣州市花鳥市場。飼養(yǎng)數(shù)日，選取健康狀態(tài)良好的幼蟲備用。

3.實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置對照組1 個, 實(shí)驗(yàn)組15 個（可降解紅色塑料袋組、可降解白色塑料組、可降解黃色塑料組、可降解紅色塑料組、無色塑料袋、綠色塑料袋、紅色塑料袋、黃色塑料袋、黑色塑料袋、可降解透明飯盒、黃色泡沫飯盒、白色泡沫飯盒、紅色泡沫飯盒、黑色泡沫飯盒、綠色泡沫飯盒）。

將黃粉蟲經(jīng)過饑餓處理后同時進(jìn)行16組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前將塑料撕成碎片。通過對各組進(jìn)行觀測記錄、排泄物分析，對蟲體施加適度的刺激測試其反應(yīng)能力，測量塑料的消耗量，初步確認(rèn)黃粉蟲對塑料的吞食取向。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

通過3 周的觀察記錄，發(fā)現(xiàn)各組塑料的質(zhì)量呈持續(xù)下降趨勢?？山到馑芰辖M、可降解塑料盒、不可降解塑料組的質(zhì)量下降趨勢較平緩，甚至停滯。且這些組內(nèi)黃粉蟲的質(zhì)量增加量并不大，甚至出現(xiàn)體重不變或體重下降的現(xiàn)象。

黑色不可降解塑料組內(nèi)的黃粉蟲死亡率最高，存活的黃粉蟲生長現(xiàn)象不明顯，且對該種塑料的取食興趣最低。因此，實(shí)驗(yàn)開始1 周之后出現(xiàn)了組內(nèi)黃粉蟲互相蠶食的情況，黃粉蟲尸體、蛻皮成為該組存活黃粉蟲的主要食物來源。

與以上3 組形成明顯對比的是泡沫飯盒組，該組內(nèi)的塑料消耗量較大，蟲體有明顯的生長現(xiàn)象，但黃粉蟲的死亡率隨塑料的消耗量增加而不斷上升。同類型的研究結(jié)果顯示，這種現(xiàn)象并非聚苯乙烯（PS）對黃粉蟲的毒害作用引起。

反應(yīng)能力測試的結(jié)果表明，食用塑料對黃粉蟲的反應(yīng)能力造成了一定程度的損傷。很可能是黃粉蟲對不同種類的塑料取食量不同而導(dǎo)致饑餓程度各異，影響了其活動能力。

我們收集了各組的黃粉蟲糞便并將其點(diǎn)燃，發(fā)現(xiàn)燃燒過程中有白煙產(chǎn)生，且紅色可降解塑料袋、紅色泡沫飯盒這兩組黃粉蟲的糞便點(diǎn)燃后產(chǎn)生的白煙濃度最高，黑色塑料袋組的黃粉蟲糞便點(diǎn)燃后產(chǎn)生了刺激性氣味。結(jié)合黑色塑料組的黃粉蟲同類殘食且行動遲緩的現(xiàn)象進(jìn)行推測，黃粉蟲對黑色塑料袋的降解效果并不佳。

此外，我們發(fā)現(xiàn)塑料顏色不同，黃粉蟲的取食興趣也有所不同。然而，黃粉蟲的生理結(jié)構(gòu)并不能讓其具備辨色能力。因此，顏色不可能影響黃粉蟲的進(jìn)食取向。

以平均消耗量最大的聚苯乙烯（PS）為例，我們利用無色無味的染色劑將PS 碎片分別染成紅色、黑色、黃色、綠色，并保留一組PS 碎片不作染色處理。稱量結(jié)果顯示，不同顏色的PS 消耗量相差較大。在第一周的測量中，紅色的PS 碎片被消耗得最多。

對糞便進(jìn)行收集分析時，紅色PS 碎片組的糞便質(zhì)量最大，但其中含有白色顆粒物，疑似PS 小顆粒。排除色彩外，值得考慮的有可能是表示可見光特征的色溫能影響黃粉蟲的進(jìn)食取向。

圖1 塑料剩余量與實(shí)驗(yàn)天數(shù)折線圖

三、對黃粉蟲取食塑料與碎塊色溫的相關(guān)性分析

1.實(shí)驗(yàn)背景

在實(shí)驗(yàn)一中，我們將不同顏色的塑料按種類進(jìn)行分組，以色溫作為同組之間的單一變量，同組之間進(jìn)行對照觀測。

對比塑料的消耗量、黃粉蟲受到外界刺激時的反應(yīng)能力等可以發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲對不同顏色的同種塑料的消耗量相差0.106g～0.001g不等。

2.實(shí)驗(yàn)過程

選取300 條健康且體型幾乎相同的黃粉蟲，將其平分為6 組。設(shè)置1 組為對照組，其余5 組分別是紅色碎片、黃色碎片、綠色碎片、黑色碎片、白色碎片。在室溫（27±2）℃、照度為150～300Lux 的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)10 天，每天稱量組內(nèi)的碎片，收集碎片消耗量的數(shù)據(jù)，用制作回歸函數(shù)圖像的方式分析色溫與黃粉蟲取食行為是否有關(guān)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖1 所示，向各組黃粉蟲容器中投入0.30 單位等量且不同顏色的塑料泡沫，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，剩余單位塑料含量從高到低依次是黑色塑料泡沫、綠色塑料泡沫、紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

第一天至第五天的過程中，可在宏觀數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)單位塑料的減少量處在一個相對較快的下降梯度。隨后，除黃色塑料泡沫發(fā)生次日內(nèi)的大梯度下降，其余塑料泡沫趨于穩(wěn)定，總體上類似于反比例函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)。

從單組上看，最后單位塑料泡沫剩余量主要分布在三個區(qū)間。在（0.15，0.20]區(qū)間內(nèi)僅有黑色塑料泡沫分布，在（0.10，0.15]區(qū)間內(nèi)僅有綠色塑料泡沫，在（0.05，0.10]內(nèi)有紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

我們采用對數(shù)回歸法分析該組數(shù)據(jù)，求出的各類塑料的降解剩余率分別為紅色塑料泡沫26.5%、綠色塑料泡沫34.7%、黃色塑料泡沫16.5%、黑色塑料泡沫50.3%、白色塑料泡沫22.7%。對此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方差分析可得，各類塑料的降解剩余率的平均數(shù)為0.3 014，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.13 056，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差的方差為0.01 705，樣本標(biāo)準(zhǔn)差的方差值相差不到10 倍。由此可證明，黃粉蟲消化塑料泡沫的能力與塑料的顏色有關(guān)。

我們猜想，黃粉蟲消化塑料的能力以周期形式表現(xiàn)，單位黃粉蟲消耗塑料的能力具有極限值。遺憾的是，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，我們沒能在此次探究中具體驗(yàn)證上述猜想。

四、檢測腸液對塑料的降解作用

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過實(shí)驗(yàn)一“對黃粉蟲取食塑料的現(xiàn)象探究及定性分析”可以發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯的消耗量最大，且聚苯乙烯組內(nèi)的黃粉蟲具有明顯的生長現(xiàn)象。

確認(rèn)對塑料的消耗量起決定作用的是黃粉蟲腸道內(nèi)的消化作用與微生物等對各種塑料的降解效果，而不是塑料本身的硬度與各種塑料所含有的氣味等因素對其取食行為產(chǎn)生影響所致。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備40g 黃粉蟲作為提取物的原料，進(jìn)行饑餓處理后，加入80ml 蒸餾水放入研磨機(jī)粉碎。將所得的混合物過濾后倒入試管，放入差速離心機(jī)離心30min。從差速離心機(jī)中取出試管，取上層清液。

將不可降解塑料（PE）、聚苯乙烯（PS）、可降解塑料袋（PLA）的碎片分別取0.01g，可降解塑料盒（PP）取0.1g 加入試管，并設(shè)置5 組平行實(shí)驗(yàn)。向每支試管內(nèi)加入等量的黃粉蟲腸道提取物，在室溫度（27±2）℃、濕度恒為40%～50%的環(huán)境下靜置3 日，隨后取出試管內(nèi)的塑料，排除腸液水分影響對其進(jìn)行測評。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對試管內(nèi)的塑料進(jìn)行稱重，對比浸泡黃粉蟲提取物前、后塑料的質(zhì)量。

圖2 各類塑料浸泡黃粉蟲腸液前、后質(zhì)量對比柱狀圖

由圖2 可見，各類塑料初始質(zhì)量與經(jīng)過浸泡后的質(zhì)量均上漲，呈現(xiàn)出普遍規(guī)律。各類塑料在黃粉蟲腸液中浸泡后，其質(zhì)量受到一定影響，可得出黃粉蟲腸液對各類塑料有生物化學(xué)作用。

至于是否因?yàn)槟c液導(dǎo)致各類塑料的質(zhì)量增加，我們作出以下猜想：黃粉蟲腸液內(nèi)某種物質(zhì)與塑料反應(yīng)生成新物質(zhì)，導(dǎo)致黃粉蟲有生長表現(xiàn)。

在“對黃粉蟲取食塑料與碎塊色溫的相關(guān)性分析”中，我們得出黃粉蟲是以周期形式消化的猜想，消化周期長，實(shí)驗(yàn)中3 日內(nèi)黃粉蟲腸液內(nèi)某種物質(zhì)與各類塑料的反應(yīng)未達(dá)到最終形態(tài)。