唐啟河,董志祥,李還原,陳奕霏,郭 軍

(昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，昆明 650500)

塑料是一種被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療器械等方面的高分子量聚合物[1]。塑料與紙張和金屬等材料相比，其回收率非常低，僅約9%被回收，其余12%被燃燒，79%被填埋在垃圾場或丟棄在自然環(huán)境中[2-4]。這些傳統(tǒng)處理塑料的方法存在許多缺陷，塑料在自然環(huán)境中降解會發(fā)生破碎形成微塑料[5]，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，現(xiàn)已在全球233 種海洋生物中發(fā)現(xiàn)有微塑料顆粒的存在[6]；用焚燒法處理塑料，雖然處理的相對徹底，但會產(chǎn)生二噁英等有毒有害氣體[7]；而塑料回收利用的成本和技術(shù)要求高、難度大[8]，所以需要尋找到一種既安全又實(shí)用的新方法來處理塑料垃圾。近些年有研究發(fā)現(xiàn)某些害蟲類昆蟲可以取食塑料。如印度谷螟(Plodiainterpunctella)的幼蟲可以嚙食由聚丙烯或聚乙烯組成的塑料包裝而后進(jìn)行取食[9]。Yang等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)昆蟲降解塑料是其腸道微生物的作用。因此，本文重點(diǎn)對取食塑料的昆蟲種類、昆蟲降解塑料的機(jī)制以及研究降解機(jī)制的方法進(jìn)行綜述。

1 取食、降解塑料的昆蟲種類

20世紀(jì)50年代，有研究人員發(fā)現(xiàn)昆蟲對塑料包裝具有破壞力，并開始研究其對塑料的食性[2]。然而在這些研究中，并未去調(diào)查昆蟲是否降解了塑料。陳重光[11]首次報道了黃粉蟲(Tenebriomolitor)幼蟲可降解塑料，而且黃粉蟲取食塑料量與其體重增重量的比值為1∶3，但該研究似乎并沒有引起學(xué)術(shù)界的注意，這也許是其沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。秦小燕[12]以取食塑料的印度谷螟(P.interpunctella)為研究對象，將其糞便通過高溫凝膠滲透色譜法和紅外光譜法進(jìn)行科學(xué)的分析，證實(shí)其具有降解塑料的能力。此后，對昆蟲降解塑料的研究越來越多，但也主要集中于黃粉蟲(T.molitor)、大麥蟲(Zophobas.morio)和大蠟螟(Galleriamellonella)這3種昆蟲。

1.1 黃粉蟲

昆蟲降解塑料最早研究的就是黃粉蟲(T.molitor)，目前，對黃粉蟲降解塑料的研究較多的是關(guān)于其對不同種類塑料的取食和降解效率。如徐富凱等[13]分別給黃粉蟲飼喂100 cm3的聚乙烯和聚苯乙烯泡沫塑料，在30 d后發(fā)現(xiàn)黃粉蟲對聚苯乙烯泡沫塑料的降解較快，降解速率為0.022 1 cm3/(d·蟲)，而對聚乙烯的降解速率為0.004 1 cm3/(d·蟲)。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲更喜取食混合塑料。張可等[14]分別給黃粉蟲飼喂30.25 cm2添加了淀粉和不加淀粉的聚乙烯薄膜，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲對含淀粉的聚乙烯取食速率更快，為0.012 1 cm2/(d·蟲)，而其對純聚乙烯薄膜的取食速率為0.005 0 cm2/(d·蟲)。Brandon等[15]報道了黃粉蟲在32 d內(nèi)對純聚乙烯組和聚乙烯+麩皮組的塑料降解質(zhì)量分別為(0.87±0.00)g和(1.10±0.12)g，也證實(shí)了黃粉蟲更喜取食混合塑料。不僅如此，黃粉蟲降解塑料速率還與塑料材質(zhì)有關(guān)，對硬度較小和表面粗糙的材料取食速率更快[16]。

1.2 大麥蟲

大麥蟲(Z.morio)是我國近幾十年才開始飼養(yǎng)的一種資源昆蟲，目前，對大麥蟲的研究報道主要是在營養(yǎng)價值[17]、飼養(yǎng)管理[18]和開發(fā)應(yīng)用[19]等方面。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)大麥蟲幼蟲能取食塑料，與黃粉蟲相似的是，大麥蟲也對取食不同類型的塑料具選擇性。苗少娟等[20]分別給大麥蟲飼喂珍珠棉和聚苯乙烯，發(fā)現(xiàn)其更喜取食薄、軟、泡沫化程度較高的珍珠棉，每kg大麥蟲的取食速率為6.2 g/d，而相對較厚、硬的聚苯乙烯其取食速率較低，每kg大麥蟲的取食速率為2.4 g/d。還有人發(fā)現(xiàn)大麥蟲取食泡沫塑料的能力是由食物與水分決定的，當(dāng)水分和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)充足時，大麥蟲幼蟲取食泡沫塑料的能力會有所增加[21]。

1.3 大蠟螟

大蠟螟(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]報道的，并發(fā)現(xiàn)其降解速率為0.076 7 mg/(h·蟲)。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)可能是由于大蠟螟幼蟲的食物是蜂蠟，而其化學(xué)結(jié)構(gòu)有與聚乙烯一樣的碳?xì)滏I(CH2-CH2)，所以聚乙烯可以被大蠟螟幼蟲消化。由于昆蟲降解塑料是腸道微生物的作用，因此，近期有關(guān)大蠟螟降解塑料的報道偏重于其腸道微生物對塑料的降解。如Zhang等[23]把大蠟螟的腸道研磨后，從中分離出一株可以將高密度聚乙烯降解的真菌(AspergillusflavusPEDX3)，該菌在28 d后，對高密度聚乙烯的降解失重率為3.9025%±1.1800%。

1.4 其他取食、降解塑料的昆蟲

目前發(fā)現(xiàn)有14種昆蟲可以取食、降解塑料，除去以上3種可取食降解塑料的昆蟲之外，另外11種昆蟲喜好取食塑料泡沫產(chǎn)品的種類詳見表1。其中除印度谷螟(P.interpunctella)有報道可降解塑料外，其余10種昆蟲是否具有降解塑料的能力還有待進(jìn)一步研究。

表1 可取食塑料的昆蟲種類Table 1 Insect species that can eat plastic at home and abroad

2 昆蟲降解塑料的機(jī)制

2.1 昆蟲腸道微生物的作用

對于昆蟲降解塑料機(jī)制的研究，目前較清楚的3種昆蟲為黃粉蟲、印度谷螟和大蠟螟。黃粉蟲幼蟲能取食聚苯乙烯泡沫塑料并使其體重增加，這也許是其腸道微生物的作用，而非黃粉蟲自身腸道分泌的酶液在作用。沈葉紅[33]提取了黃粉蟲幼蟲的腸道粗酶液涂抹于聚苯乙烯、聚乙烯薄膜，發(fā)現(xiàn)幼蟲的腸道粗酶液對聚苯乙烯和聚乙烯薄膜的降解無影響，隨后Yang等[10]為了驗(yàn)證黃粉蟲腸道細(xì)菌的降解塑料能力，他們先給其喂養(yǎng)10 d的抗生素，來抑制黃粉蟲的腸道細(xì)菌活性，然后再飼喂聚苯乙烯，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲會喪失降解聚苯乙烯的能力，并在其腸道中分離出一株可降解聚苯乙烯的細(xì)菌YT2，該菌28 d內(nèi)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顯的凹坑。不僅黃粉蟲幼蟲的腸道細(xì)菌可以降解塑料，其腸道真菌同樣具塑料降解能力?？追嫉萚34]在黃粉蟲幼蟲的腸道提取液中分離到一株降解聚苯乙烯性能較好的真菌Aspergillusniger，該真菌在60 d內(nèi)，對聚苯乙烯顆粒減少了214.8 mg，這說明該真菌能有效降解聚苯乙烯顆粒。秦小燕[12]從取食了聚乙烯的印度谷螟中分離出7株腸道細(xì)菌，將細(xì)菌分別與聚乙烯共培養(yǎng)后，聚乙烯薄膜出現(xiàn)了明顯的裂縫和孔洞，且發(fā)現(xiàn)降解聚乙烯的優(yōu)勢菌為球菌和桿菌，后來該實(shí)驗(yàn)室的潘洪[35]把7株降解菌中的T3菌單獨(dú)進(jìn)行降解聚乙烯實(shí)驗(yàn)，通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)T3菌對聚乙烯薄膜具有從表層開始逐漸向內(nèi)部的侵蝕作用。此后，高超等[29]也從印度谷螟幼蟲腸道中分離出1株可降解聚乙烯塑料的細(xì)菌，并鑒定其為霍氏腸桿菌(Enterobacterhormaechei)，該菌在10、30和60 d內(nèi)對聚乙烯的降解量分別為1.55%、4.24% 和12.17%。同樣，Yang等[24]把從大蠟螟腸道中分離得到的8株細(xì)菌與聚乙烯薄膜共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)菌株YT1和YP1在培養(yǎng)28 d后，聚乙烯薄膜的疏水性下降、薄膜表面有明顯的破壞，特別是其抗拉強(qiáng)度下降50%以上；在培養(yǎng)60 d后，菌株YP1降解100 mg的聚乙烯膜可達(dá)10.7%±0.2%，而菌株YT1為6.1%±0.3%，且兩者的培養(yǎng)液中都檢測出了新產(chǎn)物。最近，胡亞楠等[27]通過聚乙烯馴養(yǎng)大蠟螟后，也從其腸道中分離出3株對聚乙烯具較強(qiáng)降解能力的細(xì)菌XJDLM-3、XJDLM-8和XJDLM-12，這3株細(xì)菌在30 d內(nèi)對聚乙烯失重率分別為8.07%、5.66%和5.38%。這些說明印度谷螟和大蠟螟降解塑料也依賴其腸道微生物。

綜上所述，黃粉蟲腸道中的細(xì)菌YT2和真菌Aspergillusniger、印度谷螟腸道中的菌株T3以及大蠟螟腸道中的菌株YT1、YP1等都可有效的降解塑料，這些昆蟲都依賴其腸道微生物的作用來降解塑料。

2.2 昆蟲降解塑料的過程

根據(jù)相關(guān)研究可把昆蟲降解塑料的過程分為5個階段：(1)昆蟲通過口器嚙食塑料進(jìn)入腸道；(2)腸道內(nèi)的微生物黏附侵蝕塑料；(3)通過細(xì)胞色素P450單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)低聚物的化合鍵斷裂，形成脂肪酸；(5)脂肪酸通過昆蟲的生物代謝而被利用[12,36]。

2.3 昆蟲取食塑料對自身生長發(fā)育的影響

塑料垃圾一般都帶有較強(qiáng)的毒性，昆蟲在取食塑料后，是否會影響它的生命特征，在體內(nèi)是否會積累毒性。為此，研究僅讓昆蟲取食塑料泡沫，使其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)失衡，然后發(fā)現(xiàn)昆蟲會出現(xiàn)自相殘食、抵抗力較低、生長活動變緩、死亡率增高等現(xiàn)象[20-21]。Yang等[24]發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲僅取食聚苯乙烯塑料與僅喂食麥麩的黃粉蟲幼蟲的存活時間一致，都可達(dá)一個月以上，這說明塑料對黃粉蟲自身并無毒性。取食塑料的黃粉蟲幼蟲是否會對此后的生物鏈具有影響，僅有沈葉紅[33]做了驗(yàn)證，其把取食了聚乙烯塑料或聚苯乙烯泡沫塑料的黃粉蟲來喂食小鼠，通過對小鼠的形態(tài)學(xué)觀察和五臟的組織切片觀察，發(fā)現(xiàn)取食聚乙烯和聚苯乙烯后的黃粉蟲對小鼠的五臟并不存在影響，說明取食塑料的黃粉蟲對小鼠并無生理毒性影響，而對于取食塑料的黃粉蟲幼蟲是否還會對其他取食昆蟲的動物(如鳥類和魚類等)有毒性影響，這還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

3 研究降解機(jī)制的方法

3.1 產(chǎn)物分析法

該方法是指通過分析儀器或化學(xué)方法，對昆蟲取食消化后的塑料產(chǎn)物或昆蟲勻漿處理過的塑料樣品進(jìn)行分析，來間接研究昆蟲對塑料的降解。Bombell等[22]將大蠟螟幼蟲研磨成勻漿涂抹于聚乙烯薄膜上，然后通過對聚乙烯薄膜進(jìn)行重量分析、高效液相色譜儀-質(zhì)譜聯(lián)動技術(shù)分析、傅里葉變換紅外光譜儀分析和原子力顯微鏡分析，最后得出大蠟螟幼蟲可對聚乙烯塑料進(jìn)行降解。秦小燕[12]通過把印度谷螟幼蟲取食消化聚乙烯后的糞便和聚乙烯薄膜樣品通過高溫凝膠滲透色譜法和紅外光譜法比較分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過該幼蟲代謝的聚乙烯會轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿恿课镔|(zhì)，其官能團(tuán)也會發(fā)生變化，說明該幼蟲可代謝降解聚乙烯。苗少娟和張雅林[20]對大麥蟲取食不同塑料原料制品后的排泄物進(jìn)行了熱重分析、同步差熱分析和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析，確定大麥蟲取食聚氯乙烯后的排泄物與聚氯乙烯相比，紅外特征峰以及熱特性均發(fā)生較大的變化，初步斷定大麥蟲能消化塑料。

3.2 穩(wěn)定同位素示蹤法

穩(wěn)定同位素示蹤是指利用穩(wěn)定的同位素對所研究的化合物進(jìn)行標(biāo)記，通過分析儀器在不同時間測定該同位素或該化合物反應(yīng)后的位置和數(shù)量等變化，了解其反應(yīng)的機(jī)制和途徑[37]。在昆蟲降解塑料的機(jī)制研究方面，僅有Yang等[10]通過采用13C標(biāo)記的聚苯乙烯去喂養(yǎng)黃粉蟲16 d，然后對黃粉蟲自身以及所產(chǎn)糞便和氣體進(jìn)行同位素檢測，黃粉蟲攝入的聚苯乙烯泡沫塑料中13C擁有不同的命運(yùn)，其中47.7%被轉(zhuǎn)化為CO2，49.2%隨糞便排出，僅約0.5%的13C被黃粉蟲所同化進(jìn)入脂質(zhì)中。雖然Yang利用穩(wěn)定同位素示蹤方法把聚苯乙烯在黃粉蟲中的命運(yùn)基本解釋清楚，但是對聚苯乙烯是如何被黃粉蟲所同化這一過程卻并未解釋清楚，還需進(jìn)一步研究。

3.3 細(xì)菌培養(yǎng)法

該方法主要是利用不同的培養(yǎng)基去分離細(xì)菌，然后對分離出的細(xì)菌通過觀察菌落形態(tài)、細(xì)菌的革蘭氏染色以及生理生化反應(yīng)等方法進(jìn)行鑒別[38]。何歡等[39]通過使用3種不同的培養(yǎng)基從飼喂聚乙烯塑料的大蠟螟幼蟲的腸道中分離出細(xì)菌40株，通過鑒定發(fā)現(xiàn)9株為芽孢桿菌屬(Bacillus)、4株為腸球菌屬(Enterococcus)、2株為葡萄球菌屬(Staphylococcus)和1株為不動桿菌屬(Acinetobacter)，并發(fā)現(xiàn)腸道可培養(yǎng)細(xì)菌的優(yōu)勢細(xì)菌種類為芽孢桿菌屬(Bacillus)。細(xì)菌培養(yǎng)法雖然已經(jīng)相對成熟，但也存在一些局限性，如耗時較長、培養(yǎng)的溫度限制、某些細(xì)菌需要特殊條件培養(yǎng)等，另外有人估計(jì)，用細(xì)菌培養(yǎng)法培養(yǎng)的自然界細(xì)菌不到1%[40]。

3.4 宏基因組學(xué)方法

與細(xì)菌培養(yǎng)法相比，宏基因組學(xué)研究無需對每個微生物進(jìn)行分離培養(yǎng)，而是直接從樣品中提取全部微生物的核酸，通過測序或構(gòu)建宏基因組文庫，來探究樣品中微生物的群落結(jié)構(gòu)、功能和挑選新的基因，該方法可彌補(bǔ)細(xì)菌培養(yǎng)法的不足[41]。而高通量測序技術(shù)是宏基因組學(xué)中關(guān)鍵的技術(shù)之一，其可以被用來發(fā)現(xiàn)昆蟲降解塑料的關(guān)鍵微生物及其關(guān)鍵基因，Brandon等[15]利用高通量測序方法研究了取食聚苯乙烯和聚乙烯的黃粉蟲腸道微生物，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲腸道中有兩種OUT(Citrobactersp.和Kosakoniasp.)與聚苯乙烯和聚乙烯的降解密切相關(guān)。曹沁等[25]同樣也利用高通量測序研究取食聚氯乙烯的黃粉蟲幼蟲腸道微生物菌群，發(fā)現(xiàn)其腸道菌群中哈夫尼菌屬(Hafnia)和摩根氏菌屬(Morganella)的豐度分別比常規(guī)飼養(yǎng)對照增加了35.20%和16.42%，而且這2個菌株對聚氯乙烯的利用效率最高。

4 展望

昆蟲具有生長快、繁殖強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且黃粉蟲、大麥蟲等昆蟲的養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)基本完善，這使得昆蟲具有實(shí)現(xiàn)工廠化處理塑料廢物的潛力，采用昆蟲取食消化塑料的方式，既可以實(shí)現(xiàn)塑料廢物的回收利用價值，又具有保護(hù)環(huán)境和生態(tài)的效益，也為解決塑料污染這一世界性難題提供了新的方法。

目前科學(xué)家對昆蟲取食和消化多種塑料的降解機(jī)制研究，尚處于初級階段，還有許多的不足，如降解的產(chǎn)物成分及其性質(zhì)并未清楚，某些昆蟲降解塑料的機(jī)制還尚不明確，昆蟲取食消化塑料是怎樣的代謝通路等。因此，今后對昆蟲降解塑料的研究，有如下幾點(diǎn)展望：(1)對更多的昆蟲展開塑料降解研究，擴(kuò)展出具有強(qiáng)塑料降解能力的微生物，找到更具塑料降解應(yīng)用價值的微生物；(2)對昆蟲腸道中具降解能力的微生物開展更深入的研究，如將降解能力強(qiáng)的微生物回植于宿主昆蟲體內(nèi)，查看昆蟲降解塑料能力是否增加，為昆蟲降解塑料工廠化提供基礎(chǔ)；(3)嘗試飼喂帶油污等污染物的塑料看是否能夠被昆蟲降解；(4)另外還可對塑料和昆蟲食物共同飼喂，研究出一種較佳的含塑料的昆蟲飼料配方，使昆蟲能夠健康生長。本文總結(jié)了昆蟲降解塑料的機(jī)制及其研究方法，并簡要介紹了能降解塑料的昆蟲種類，希望有助于了解昆蟲是如何降解消化塑料，為研究昆蟲降解塑料提供新的方法和幫助，也為進(jìn)一步利用昆蟲降解環(huán)境污染物提供依據(jù)。