石油基塑料的昆虫降解研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:辽宁省科技厅博士科研启动基金计划项目()辽宁石油化工大学科研启动基金()作者简介:赵晶晶()女山西大同人辽宁石油化工大学讲师博士主要从事高分子材料的生物降解研究 电话:.石油基塑料的昆虫降解研究进展赵晶晶冯雅郡朱潇婷朴金雪苏婷婷王战勇(.辽宁石油化工大学 石油化工学院辽宁 抚顺.沈阳农业大学 生物科学与技术学院辽宁 沈阳)摘 要:综述了目前可取食塑料的昆虫种类及取食塑料的类型并对常见的 种昆虫黄粉虫、大麦虫和大蜡螟幼虫取食不同塑料的能力进行了详细阐述同时对其肠道微生物多样性以及昆虫取食塑料后的自身生长状况进行了比较分析 以期有关昆虫对塑料的降解能力能够被合理利用并实际应用于解决全球废弃塑料污染问题关键词:塑料昆虫生物降解肠道微生物中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:传统塑料包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚氯乙烯等是现代社会生活与生产的重要材料 但由于其分子量大疏水性强同时单体间有非常强的 共价键因此在自然环境中不易降解 近几年不断有通过昆虫取食塑料并进行降解的研究这为石油基塑料的生物降解提供了新思路、新方向 目前已知的可取食塑料的昆虫有黄粉虫 .、大麦虫 .、大蜡螟 .、印度谷螟 、赤拟谷盗 、黑粉虫 .、烟草甲 ()、米象 ()、谷蠹 等且研究较多的主要集中于黄粉虫、大麦虫和大蜡螟 种昆虫本文主要对以上 种昆虫对塑料的取食降解能力、取食塑料后肠道微生物的变化情况及取食塑料对昆虫生长状况的影响进行了阐述为进一步开展石油基塑料的昆虫降解研究提供理论指导 昆虫降解塑料国内外研究现状.昆虫可取食的塑料类型目前已知的昆虫可取食的塑料种类有:聚乙烯()、聚苯乙烯()、可发性聚苯乙烯()、珍珠棉()、高抗冲击聚苯乙烯()、低密度聚乙烯()、聚氯乙烯()、聚丙烯()、聚丙烯发泡板()和聚氨酯()其中可大量取食的塑料主要有 和 由乙烯聚合形成可分为高密度聚乙烯()和 是以聚苯乙烯树脂为主体加入发泡剂及其它助剂制备而成的作为包装材料大量应用于家用电器、仪器设备和仪表等产品.不同昆虫对塑料的取食降解能力研究.黄粉虫取食降解塑料能力研究关于黄粉虫取食塑料已有大量研究其中张可等通过实验证明黄粉虫可取食降解不同纯度的 塑料但消应用化工第 卷化降解含淀粉较高的 塑料更快 等研究黄粉虫降解 的实验显示 内即可观察到泡沫塑料减少通过计算得出 的时间 塑料摄入量的.被降解为 徐富凯等也研究了黄粉虫幼虫取食塑料情况通过计算得到 塑料 的总降解率为.塑料 的总降解率高达.在郭存雨等的研究中也发现了同样的结果黄粉虫幼虫对 的降解率高 的降解率可达.而对 的降解率明显低于 同时曹沁等发现黄粉虫也可取食 头黄粉虫 可取食(.)且其平均体重有所增长 等通过 种 塑料、和 喂食黄粉虫结果显示黄粉虫可取食、和 但对 和 几乎不取食 由此可见黄粉虫可对、等多种塑料具一定取食能力但并非可取食所有塑料同时对不同塑料的取食降解能力也不同对 取食能力更强 次之另外饲料中的塑料含量也能影响黄粉虫取食塑料的能力.大麦虫取食降解塑料能力研究 等分别用、和 喂食大麦虫测定大麦虫对 种塑料的消耗量及其在此期间的存活率等情况结果发现在 内大麦虫幼虫具有很强的 和 取食能力平均每头虫子每天的取食量分别为.但对 取食量很低平均为每天.等通过 和 分别喂食来源不同的大麦虫结果显示两个种群的大麦虫均可取食这两种塑料但两个种群均对 表现出有限的解聚能力 殷涛等证实大麦虫可取食、和 三种塑料但取食量最多的为 杨莉等在 降解实验中发现在相同时间内不同饮食条件下纯麦麸饲喂的大麦虫存活率可保持在左右明显高于 喂食的存活率 综上可知大麦虫也可取食多种类型的塑料对不同塑料喜好不同其中对 取食量最多不喜食 能够以 作为养料供自身生长但没有以麦麸为饲料的存活率高.大蜡螟取食降解塑料能力研究 指出大蜡螟幼虫的常规食物是蜂蜡而不是塑料但是将大蜡螟幼虫放入聚乙烯或者聚苯乙烯泡沫中 后塑料泡沫即被昆虫啮食在表面产生孔洞但与大麦虫一样大蜡螟幼虫取食 与 的情况存在显著差异其进食.用 而相同时间仅进食了.后取食 幼虫存活率很低而取食 的幼虫其存活率较高 等经 实验同样发现大蜡螟对于 塑料的取食量略大于 该研究还发现利用热重法分析大蜡螟幼虫取食 后的虫粪显示 条件下虫粪中 总重量急剧下降了 左右经此实验结果得知大蜡螟具有降解 的能力根据以上研究结果发现黄粉虫和大麦虫取食的塑料类型多于大蜡螟幼虫目前关于大蜡螟幼虫可取食的塑料类型相关研究有限 三种昆虫幼虫均可取食 和 但是喜好不同大麦虫更喜食 而大蜡螟对 取食量略小于 且大麦虫的 取食量明显大于黄粉虫和大蜡螟.不同昆虫取食塑料后肠道内微生物的筛选及分析.黄粉虫肠道内可降解塑料的微生物的筛选及分析 等通过喂食黄粉虫 和发现黄粉虫肠道微生物种类随着饮食的变化而发生变化 陈冠舟等采用高通量测序的方法分别比较了取食 和取食纸片后的黄粉虫虫粪微生物群落组成结果发现 组的黄粉虫肠道中富集了一批与 降解相关的细菌如、和 等采用相同方法分析了取食两种不同塑料 和 的黄粉虫肠道微生物发现其肠道中柠檬酸杆菌属(.)和克雷伯氏菌属(.)与 和 的降解密切相关 孔芳等从取食 的黄粉虫肠道和粪便中分离出 株真菌()及 株细菌 ()和 ()等从取食 后的黄粉虫肠道中分离出一株 降解菌 .以上研究表明黄粉虫具有一定的塑料降解能力取食塑料后的黄粉虫肠道内会富集多种与塑料降解有关的微生物且多种微生物对 和 的降解密切相关包括柠檬酸杆菌、克雷氏菌等.大麦虫肠道内可降解塑料的微生物的筛选及分析 等通过喂食大麦虫抗生素发现抗生素削弱了大麦虫降解 的能力表明大麦虫肠道微生物具有潜在的 降解功能 杨莉等对大麦虫肠道悬液和 进行了体外共培养实验发现大麦虫肠道中可能存在以 作为碳源的微生物使用 基因测序技术分析在 种不同的饲喂条件下(、麦麸和麦麸加)其肠道菌群分布情况结果显示不同的摄食条件会对大麦虫幼虫肠道菌群产生明显的影响导致其肠道菌群表现出明显的差异其中在 饲喂条件下其肠道中发现大量具有降解 的优势菌群富集如克雷伯氏菌()、鞘氨醇单胞菌属()和柠檬酸杆第 期赵晶晶等:石油基塑料的昆虫降解研究进展菌属()等 另外 等从大麦虫肠道中筛选出一株 降解菌 .等通过 诱导从大麦虫肠道中筛选出 株 降解菌经形态学结合 基因测序鉴定均属于 除 外大麦虫肠道也可富集其它类型塑料降解菌 等通过、和 喂食大麦虫结果发现其肠道微生物丰度发生了明显的变化其中 属细菌在 种塑料中均有较高丰度 在 组有较高丰度 和 在 组有较高丰度 在 组有较高丰度 上述实验表明大麦虫肠道内具有多种可降解塑料的微生物且不同塑料的降解菌种类各异运用不同的饲喂条件可富集筛选出降解不同塑料的优势菌种.大蜡螟肠道内可降解塑料的微生物的筛选及分析 何欢等对 喂食的大蜡螟幼虫肠道可培养细菌进行筛选和鉴定通过微生物的分离培养技术及细菌菌落特征分离鉴定出 种细菌分属于芽孢杆菌属()种肠球菌属()种葡萄球菌属()种不动杆菌属()种 其中优势菌为 芽 孢 杆 菌 属()包 括 阿 耶 波 多 氏 芽 孢 杆 菌()、巨大芽孢杆菌()、环状芽杆菌()、枯草芽孢杆菌()等 等发现大蜡螟幼虫肠道中的 属菌株参与其肠道 生物降解 另外 等研究了大蜡螟幼虫对 和 的生物降解并测定饮食对其肠道微生物的影响结果发现 和 在消化 和 过程中起到重要作用 等成功从大蜡螟幼虫肠道中筛选出一株 降解菌 .根据以上对昆虫肠道内微生物菌群研究发现昆虫取食塑料后其肠道菌群发生了明显变化在取食塑料的黄粉虫、大麦虫和大蜡螟幼虫肠道内均发现了柠檬酸杆菌属()、克雷伯氏菌()以及假单胞菌属()等证明了这几类菌在昆虫降解 或 的过程中发挥了重要的作用但是目前关于各降解菌的降解机制仍未见详细介绍另外以上所说降解菌的降解率普遍较低如要进一步应用于实际生产中还需要进行深入研究.取食塑料对昆虫的生长状况的影响.取食塑料对黄粉虫的生长状况影响殷涛等发现 种泡沫塑料中相对于 和 黄粉虫更喜食 但如果只取食泡沫塑料将无法正常生长 许诗杰和张雅林证实若黄粉虫只取食低密度线性聚乙烯或者 只有 龄及以上幼虫可以化蛹且化蛹率较低若将麦麸与塑料混合饲喂黄粉虫可保证较高存活率 曹沁等发现黄粉虫可取食聚氯乙烯()塑料且喂食 后其体重呈现一定的下降趋势喂养 后其体重逐渐增加 质量减少的速度加快 后其平均体重相对增加(.)等在黄粉虫对聚丙烯()泡沫的降解中观察到的结果与 等的黄粉虫降解 与 研究中观察到的结果相似仅用 泡沫喂养的幼虫的存活率远高于未喂养的幼虫 分别为(.)与(.)由此可知黄粉虫能够取食并利用塑料但对不同塑料喜好存在差异且仅取食塑料的黄粉虫自身生长状况会发生一定变化部分表现为不良影响进而导致黄粉虫不能正常生长而部分又显示出一定的积极作用如黄粉虫取食 后平均体重出现增长.取食塑料对大麦虫的生长状况影响等证明当以 作为大麦虫的唯一食物来源时它们可立即开始进食 且 的消耗随着孵育时间的延长而增加 的测试期内计算得 泡沫塑料的平均消耗率为每条虫子约./杨莉等在实验中发现麦麸和 混合饲喂的大麦虫幼虫组相较于仅喂食 的平行组而言饲喂麦麸与 的大麦虫幼虫组拥有更高的存活率 时 饲喂的幼虫存活率约为 而混合饲喂组的存活率可达到 左右这种实验现象的出现表明 可以作为大麦虫取食并用以维持生命的碳源 等发现仅饲喂 的大麦虫在 试验期结束时平均重量分别增加了(.)(.)等的研究显示仅用 泡沫喂养大麦虫幼虫 时的存活率与未喂食的幼虫相似分别为(.)(.)时两组存活率出现显著差异仅喂食 组的存活率降为(.)而未喂食的对照组的幼虫存活率降为(.)综合上述大麦虫具有消化吸收塑料并用以自身生长发育的能力且经实验证明此能力来源于大麦虫幼虫的肠道微生物 开始取食塑料后大麦虫的生长状况良好但可以通过在饲料中添加麦麸来增加肠道菌群所需要的氮源等营养源提高大麦虫对 底物的利用.取食塑料对大蜡螟的生长状况影响唐瑞等开展了大蜡螟取食聚乙烯微塑料对其生长发育的影响实验根据幼虫存活率、相关酶活性、雄雌比等虫蛹时期有关数据发现随着取食塑料比例的增加大蜡螟受影响程度呈上升趋势在取食 应用化工第 卷微塑料时幼虫均可完成正常生长发育但随着饲喂塑料比例增大其发育历期逐渐延长存活率逐渐降 低 该 结 果 在 其 他 相 关 研 究 中 也 得 到 证实尽管大蜡螟幼虫可取食消化 和 但是将 和 作为唯一碳源时大蜡螟幼虫存活率明显降低如果增加蜂蜡和麦麸比例对大蜡螟进行混合喂养可使大蜡螟降解塑料实现最大化又可保证其正常的生长发育繁殖但是饲粮和塑料的最佳混合比例目前尚未见相关报道有待后续进一步开展深入研究 结束语开发生物资源寻求安全且经济的降解塑料的途径是人类面临的选择和问题 昆虫降解塑料的研究为塑料降解拓宽了广阔的思路 本文对现阶段塑料污染的危害和昆虫生物降解进行了详细总结分析通过相关文献作为支撑来讲述昆虫取食塑料研究的进展 通过对不同昆虫取食塑料能力的相关研究结果发现黄粉虫、大麦虫和大蜡螟对于聚乙烯、聚苯乙烯都有啮食的能力这证实了昆虫取食塑料研究的可行性 对取食塑料的昆虫肠道微生物多样性研究进行深度分析利用传统可培育技术结合现代 基因分子鉴定技术、宏基因组等方法揭示了昆虫肠道细菌的多样性 这有利于从昆虫肠道这一特殊环境寻找具有特殊功能的微生物资源开辟生物转化的新途径同时为昆虫微生物资源有效开发利用提供了理论参考 最后本文探究了取食塑料后昆虫的自身生长状况研究显示黄粉虫、大麦虫、大蜡螟取食塑料后均会对自身生长产生一定的影响且取食塑料的量不同其产生的影响也有一定差异需进一步探究最适合各种昆虫取食塑料的条件期望找到既不影响昆虫自身生长又可提高塑料降解能力的最佳方案 展望根据目前的研究结果我们发现黄粉虫、大麦虫、大蜡螟等昆虫具有为废弃塑料提供生物降解的能力 与传统的塑料处理方式如填埋法、焚烧法、化学法等处理不同为了减少处理塑料带来的污染而选择采用成本低、效益高且不会造成二次污染的昆虫幼虫去降解传统塑料材料同时昆虫幼虫也可以作为动物饲料的来源达到变废为宝的目的获得良好的社会效益、环境效益以及经济效益然而尽管已经能够证实塑料可被昆虫幼虫肠道微生物所降解甚至可以分离出数种有关的塑料降解微生物或生物酶但针对废弃塑料生物降解的研究还有数个未能解决的问题 相关研究未来可以在以下方面继续深入进一步推动这一发现的实际应用()昆虫对塑料的生物降解作用机理与相关功能菌的作用机制以 生物降解为例目前普遍的分析认为:降解菌通过分泌多糖、蛋白等多聚物构成黏液层使得 表面疏水性降低后通过胞外酶进一步通过多重反应将 分子分解为低分子量寡聚物、二聚体、单体等分子碎片再进入生物体内代谢同化完成其腐蚀降解 总体来说、乃至其它传统塑料的微生物降解机制虽已有一些研究但从酶和基因水平上的科学阐述仍非常欠缺 今后的研究可以利用高性能测序技术等工具讨论分析昆虫肠道微生物的共代谢揭示废弃塑料的生物代谢路径与微生物降解塑料的实现机制从理论层面上掌握更好的筛选高效降解菌及相关降解酶的方法丰富和扩大降解菌种资源库()取食塑料昆虫的检测优化及相关塑料降解菌株的筛选使用与已发现的黄粉虫、大麦虫、大蜡螟相比自然界中可能还有其他更多昆虫可以分解塑料甚至是存在可更加快速高效地完成相关塑料的取食与降解的昆虫 因此研究者仍需要发现更多具有可对塑料进行生物降解的昆虫并对已获得的昆虫进行优选确认对不同种类塑料的处理最佳方式使利用昆虫开展的塑料降解方式获取更大的环境效益与经济利益()高效降解菌和降解酶的选育和人工改造在筛选出多种具有塑料降解作用菌株的基础上进一步选择降解效率更高的菌株 此外一方面可以试着在当前功能菌株中开展突变育种工作以取得合适的正向突变菌株 另一方面可以分离克隆研究已经获得的塑料降解菌株的功能酶及功能基因并使用诸如基因工程的工具转化和构建基因功能菌株进一步拓宽塑料废弃物的生物降解可能性为后续生物降解型塑料的工业生产和市场应用做铺垫参考文献:高兆营江南刘慧芳等.生物降解塑料聚丁二酸丁二酯的改性研究进展.工程塑料应用():.:.第 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