黃粉蟲取食和消化降解塑料的研究

徐富凱，孫忠芳

（延邊大學農(nóng)學院，吉林 延吉 133000）

塑料廢物處理是一個世界性的環(huán)境問題，聚乙烯和聚苯乙烯是其中兩種難以降解且用途廣泛的塑料。根據(jù)歐洲塑料工業(yè)協(xié)會（Plastics Europe）的數(shù)據(jù)，2015年，全球消耗了3.22 億t 塑料，其中聚苯乙烯類塑料與聚乙烯類塑料的比例超過半數(shù)。聚苯乙烯（Polystyrene，PS）塑料是以苯乙烯單體為原料經(jīng)聚合反應而形成的，在其分子鏈碳原子上連有許多的苯基基團，故而聚苯乙烯相對分子質(zhì)量較高、穩(wěn)定性較強、耐腐蝕性好，普遍認為微生物無法降解聚苯乙烯類塑料[1]。聚乙烯（Polyethylene，PE）塑料是以乙烯單體為原料聚合而成，是化學惰性最強且最穩(wěn)定的塑料制品之一。

黃粉蟲（Tenebrio molitor Linnaeus）又叫面包蟲，在昆蟲分類學上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲科，粉甲蟲屬（擬步行蟲屬）。黃粉蟲是一種全變態(tài)類昆蟲，其生長周期可分為四個階段，分別是卵、幼蟲、蛹、成蟲，一般其經(jīng)歷一個世代的時間為90～100 d[2-3]。黃粉蟲幼蟲一般長20～25 mm，成蟲是黑色甲蟲[4]。黃粉蟲幼蟲在飼料、食品加工、醫(yī)藥以及抗菌蛋白等領(lǐng)域均有廣泛應用，此外還可在環(huán)保應用中發(fā)揮作用，研究表明，黃粉蟲幼蟲可將環(huán)境中的重金屬與微量元素富集在其體內(nèi)，進而適應被重金屬污染的環(huán)境[5]。中學生陳重光在飼養(yǎng)鳥類時，發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)黃粉蟲幼蟲盒子里鋪墊的泡沫塑料上有細小的噬咬痕跡。沈葉紅等為了研究黃粉蟲體內(nèi)可降解塑料的微生物種類，從黃粉蟲腸道中分離出了8 株相關(guān)細菌[6]。本研究以黃粉蟲的幼蟲為試驗材料，通過設(shè)置不同的處理，對黃粉蟲取食和消化降解塑料進行研究，為聚乙烯和聚苯乙烯塑料的生物降解提供良好的理論參照。

1 材料與方法

1.1 材料來源

試驗所用黃粉蟲（Tenebrio molitor）幼蟲于2018年8月購自江蘇省徐州市新沂市的粉蟲世家養(yǎng)殖基地，試驗用蟲體長均為15～25 mm。

1.2 黃粉蟲的飼養(yǎng)

黃粉蟲在室溫（25±2）℃的實驗室環(huán)境下飼養(yǎng)，試驗所用幼蟲分為三組，分別為對照組、聚苯乙烯組（PS組）和聚乙烯組（PE 組），每組150 條且個體形態(tài)差異較小。對照組的黃粉蟲幼蟲整個試驗期間喂食麥麩與菜葉；聚苯乙烯組喂食少量菜葉和聚苯乙烯泡沫塑料塊；聚乙烯組喂食少量菜葉和聚乙烯塑料膜。試驗用黃粉蟲均取同一批次。各個處理的飼養(yǎng)溫度、濕度和光照條件相同。試驗分組剩余的黃粉蟲用作備用蟲源，飼養(yǎng)條件與對照組基本相同。5 d 更換1 次飼料并對飼養(yǎng)黃粉蟲幼蟲的容器進行一次消毒，每天添加少量新鮮的菜葉，用于補充水分，并及時清理黃粉蟲蛻掉的皮。

1.3 糞便的收集

每5 d 采用無菌勺和滅菌的標準篩收集新鮮的黃粉蟲幼蟲糞便一次，凍存在-80℃，試驗期間（30 d）共取6 次，待后續(xù)試驗使用。

1.4 糞便的處理

取少量每次收集的黃粉蟲糞便，將其點燃，根據(jù)是否出現(xiàn)與塑料燃燒時相似的刺激性氣味，判斷黃粉蟲幼蟲對兩種塑料的消化降解是否徹底。

1.5 數(shù)據(jù)記錄

每5 d 稱量（萬分之一電子天平）一次各處理中塑料的減少量，并計算各處理黃粉蟲幼蟲的死亡數(shù)，所有稱量數(shù)據(jù)皆保留到小數(shù)點后4 位。每天分三個時間段觀察黃粉蟲幼蟲發(fā)育、死亡情況及塑料的分解情況，時間分別是8:00、14:00、20:00，并對觀察情況做詳細記錄。

1.6 塑料降解率的測定

1.6.1 聚苯乙烯降解率的測定每五天取一次聚苯乙烯，觀察聚苯乙烯的變化，并用蒸餾水洗滌，烘干稱重，計算聚苯乙烯的降解率。實驗期間（30 d）計算6 次其降解率，試驗結(jié)束后，計算聚苯乙烯的總降解率。

式中，M0為聚苯乙烯降解前質(zhì)量；Mt為聚苯乙烯降解后質(zhì)量；M1為聚苯乙烯試驗前質(zhì)量。

1.6.2 聚乙烯薄膜降解率的測定每五天取一次聚乙烯塑料薄膜，觀察聚乙烯薄膜的變化，并用蒸餾水洗滌，烘干稱重，計算聚乙烯的降解率。試驗期間（30 d）計算6 次其降解率，試驗結(jié)束后，計算聚乙烯的總降解率。

式中，M0為聚乙烯降解前質(zhì)量；Mt為聚乙烯降解后質(zhì)量；M2為聚乙烯試驗前質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃粉蟲對塑料的取食情況

2.1.1 黃粉蟲對聚苯乙烯的取食情況

由圖1可以看出，聚苯乙烯泡沫塑料在黃粉蟲的取食下，表面會出現(xiàn)孔洞，且減重明顯，隨著時間推移，孔洞逐漸增多、加深，最后大部分聚苯乙烯泡沫塑料被黃粉蟲所取食。經(jīng)計算，聚苯乙烯30 d 的總降解率為99.34%。

2.1.2 黃粉蟲對聚乙烯的取食情況

由圖2可以看出，在試驗的第10 d，塑料薄膜的邊緣及中間有被黃粉蟲啃食的孔洞，但是孔洞很??；在第20 d，塑料薄膜被啃食的孔洞比第10 d大了一些，同時孔洞數(shù)也有所增加；第30 d，塑料薄膜的邊緣被啃食的孔洞進一步擴大，薄膜中間也增添了更多的孔洞。經(jīng)計算，聚乙烯30 d 的總降解率為18.56%。

圖1 黃粉蟲對聚苯乙烯的取食情況

圖2 黃粉蟲對聚乙烯的取食情況

2.2 黃粉蟲的生長情況和糞便分析

試驗期間，3 個處理飼養(yǎng)的黃粉蟲均可健康成長，并未出現(xiàn)大量的死亡現(xiàn)象。經(jīng)計算，對照組黃粉蟲試驗期間總死亡率為8.0%，聚乙烯組死亡率為10.2%，聚苯乙烯組死亡率為7.4%，飼喂塑料與飼喂麩皮的黃粉蟲并無顯著性差別。

以聚乙烯塑料薄膜和菜葉為食的黃粉蟲的糞便與以聚苯乙烯泡沫塑料和菜葉為食的黃粉蟲糞便顏色基本相同，均呈綠棕色，其中聚乙烯組的黃粉蟲糞便顏色略深；以麥麩為食的黃粉蟲的糞便呈棕黃色。這應該是由于兩種塑料的成分與麥麩不同，以及試驗中喂食了菜葉，致使黃粉蟲的糞便成分存在差異，其顏色也存在差異。

點燃黃粉蟲的糞便，發(fā)現(xiàn)其燃燒時并未出現(xiàn)塑料燃燒的刺激性氣味，因此認為這兩種塑料已被黃粉蟲幼蟲完全降解，但降解后的產(chǎn)物成分，還需進一步研究探討。

3 結(jié)論

本文研究了黃粉蟲對聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料薄膜的降解情況。結(jié)果表明，無論是聚乙烯還是聚苯乙烯，都能夠被黃粉蟲所攝食并消化降解。黃粉蟲對聚苯乙烯的消化和降解較快，2 塊體積為50 cm3的泡沫塑料經(jīng)30 d，可被消化降解99.34%；黃粉蟲對聚乙烯塑料薄膜的消化降解慢于聚苯乙烯，30 d 的降解率達到18.56%。兩種塑料喂養(yǎng)的黃粉蟲幼蟲均可成長，并且其糞便顏色用肉眼觀察并無顯著差異，均呈綠棕色，只是聚乙烯組的黃粉蟲糞便顏色略深；用麥麩飼養(yǎng)的黃粉蟲的糞便則呈棕黃色。將兩種塑料處理的黃粉蟲的糞便分別進行點燃，發(fā)現(xiàn)其燃燒時并未出現(xiàn)塑料燃燒的刺激性氣味，因此認為這兩種塑料已被黃粉蟲幼蟲完全消化降解，但降解為何種成分需進一步分析研究。

黃粉蟲對聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料薄膜的降解都具有良好的效果，體現(xiàn)了利用黃粉蟲進行廢棄塑料降解這一研究具有廣闊的前景。如果可以將黃粉蟲降解塑料這一特性充分開發(fā)利用，不僅可以更好地解決塑料污染的問題，還可以為黃粉蟲提供食物來源，從而變廢為寶，獲得良好的社會效益、環(huán)境效益以及經(jīng)濟效益。