利用黃粉蟲(chóng)生物降解聚乳酸塑料：一種可持續(xù)的廢棄物資源化利用途徑

彭博宇，陳志彬，陳家斌，周雪飛，吳唯民，張亞雷

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.斯坦福大學(xué)土木與環(huán)境工程系斯坦福大學(xué)Codiga資源回收中心，美國(guó) 斯坦福 CA 94305-4020）

譯者：彭博宇；審查：吳唯民；單位：同濟(jì)大學(xué)，斯坦福大學(xué)

1 研究亮點(diǎn)

*黃粉蟲(chóng)消化聚乳酸塑料在24 d內(nèi)能維持其正常生命活動(dòng)但需要麥麩支持長(zhǎng)期生長(zhǎng)；

*紅外光譜、熱裂解分析及物料恒算結(jié)果確證了黃粉蟲(chóng)能夠生物降解聚乳酸，其攝入的聚乳酸在12～24 h內(nèi)通過(guò)腸道后去除率在81.5%以上；

*聚乳酸+麥麩混合飼料（聚乳酸占比20%）喂養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)增量最大；

*攝入聚乳酸后，黃粉蟲(chóng)腸道菌群多樣性下降，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2 背景

聚乳酸是目前產(chǎn)量最大的可生物降解塑料，但在自然條件下降解相對(duì)緩慢，其回收利用是亟需解決的問(wèn)題。黃粉蟲(chóng)是生產(chǎn)昆蟲(chóng)蛋白的重要經(jīng)濟(jì)昆蟲(chóng)，具有降解多種難降解塑料的能力，但迄今未證實(shí)其能否降解聚乳酸塑料。本研究旨在明確黃粉蟲(chóng)生物降解聚乳酸塑料的可行性，探討聚乳酸塑料廢棄物的資源化利用途徑，探索提高黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)產(chǎn)量的聚乳酸添加比例，并研究消化降解聚乳酸對(duì)腸道菌群影響。

3 研究方法

將黃粉蟲(chóng)在7種喂養(yǎng)條件下進(jìn)行24 d飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：投食聚乳酸微塑料（尺寸＜100μm）、投食聚乳酸+麥麩混合飼料（聚乳酸質(zhì)量占比分別為10%、20%、30%、50%）、投食麥麩與饑餓對(duì)照，測(cè)定黃粉蟲(chóng)對(duì)不同聚乳酸比例的混合飼料攝食能力和蟲(chóng)質(zhì)量變化情況。以聚乳酸作為對(duì)照，對(duì)進(jìn)食聚乳酸后的蟲(chóng)糞進(jìn)行紅外光譜和熱裂解分析，確認(rèn)攝入消化后聚乳酸是否降解。通過(guò)水、乙醇和二氯甲烷的梯度萃取，進(jìn)而確認(rèn)聚乳酸去除率。通過(guò)高通量測(cè)序分析，比較黃粉蟲(chóng)進(jìn)食聚乳酸與進(jìn)食麥麩后的腸道菌群差異。

4 主要研究結(jié)果

在投食聚乳酸或聚乳酸+麥麩混合飼料條件下飼養(yǎng)24 d后，黃粉蟲(chóng)存活率均超過(guò)82%，但只投食聚乳酸的黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)增加不明顯。投食聚乳酸占比20%的混合飼料，黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)增量最高（增長(zhǎng)33.1%±1.7%），并能降低蟲(chóng)糞產(chǎn)生量。紅外光譜檢測(cè)到官能團(tuán)變化，熱裂解分析發(fā)現(xiàn)不同熱學(xué)性質(zhì)的產(chǎn)物生成，從而證實(shí)聚乳酸被生物降解。物料衡算結(jié)果表明至少81.5%攝入的聚乳酸被消化去除。在消化聚乳酸后，腸道微生物組，特別是乳球菌屬和螺原體菌屬細(xì)菌的相對(duì)豐度顯著增高。

5 結(jié)論與展望

黃粉蟲(chóng)能夠快速攝食和生物降解聚乳酸，如需支持黃粉蟲(chóng)的長(zhǎng)期生長(zhǎng)和正常發(fā)育，需要添加麥麩作為混合飼料；在聚乳酸占20%的麥麩混合飼料喂養(yǎng)下，可獲得最大的黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)增量；腸道微生物在聚乳酸的生物降解過(guò)程中起主導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，作者提出了一種可持續(xù)的聚乳酸廢棄物的處理方法和循環(huán)途徑：①以農(nóng)產(chǎn)品為原料生產(chǎn)聚乳酸塑料；②以回收聚乳酸廢棄物與農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物為飼料生產(chǎn)黃粉蟲(chóng)生物質(zhì)蛋白；③將黃粉蟲(chóng)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的蟲(chóng)糞作為土壤改良劑/肥料用于農(nóng)作物生產(chǎn)和聚乳酸原料。