黃粉蟲體內(nèi)聚乙烯降解特性研究

＊李強文 王魚名 羅濤 張宏*

（1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院 甘肅 730124 2.甘肅省高校環(huán)境友好復(fù)合材料及生物質(zhì)利用省級重點實驗室 甘肅 730124）

聚乙烯是一類通過聚合制成的熱塑性樹脂化合物[1]。聚乙烯在自然條件下具有良好的機械性能與化學(xué)穩(wěn)定性，難以在自然條件下降解[2]。某些研究表明[3-8]，某些昆蟲取食PE并有著一定的降解作用。而以黃粉蟲（Tenebrio Molitor）為代表的一類昆蟲，對惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強[9]；可用其處理以聚乙烯為代表的塑料廢棄物。

1.實驗方案

(1)聚乙烯取食特性初步研究

對黃粉蟲進行了麥麩與低密度聚乙烯粉末不同質(zhì)量比例的喂養(yǎng)，一個比例喂養(yǎng)時間為5天。通過麥麩/聚乙烯不同質(zhì)量比喂養(yǎng)黃粉蟲，初步探究了聚乙烯在其中產(chǎn)生的影響。

(2)聚乙烯降解菌的富集與分離

黃粉蟲的純化培養(yǎng)，使之恢復(fù)到正常的生長狀態(tài)，確定最佳生長條件。收集咀嚼足夠的PE膜的蠟蟲的幼蟲或黃粉蟲，浸泡在乙醇中消毒，經(jīng)過無菌鹽水沖洗取出腸道，放入含有無菌鹽水的離心管中，均勻五分鐘。去除腸道組織，將清液接種到含有PE和液態(tài)無碳基培養(yǎng)基（LCFBM，Liquid Carbon-free Basal Medium）的錐形瓶中，在振蕩器中培養(yǎng)。培養(yǎng)24h后，將形成的菌落轉(zhuǎn)移到含有新鮮瓊脂培養(yǎng)基的平板上，直到獲得純凈的分離菌株。

(3)聚乙烯粉末降解作用的紅外光譜表征

紅外光譜能夠?qū)ξ镔|(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化進行表征。在本項目實驗中，利用紅外光譜對原聚乙烯粉末和取食聚乙烯粉末后的蟲體排泄物進行紅外表征。聚乙烯經(jīng)過蟲體的宏觀過程之后，紅外光譜可展現(xiàn)出此過程中聚乙烯微觀結(jié)構(gòu)官能團的變化。

(4)聚乙烯膜體表面形態(tài)電鏡表征

經(jīng)過預(yù)處理的聚乙烯膜體作為空白對照，經(jīng)過聚乙烯降解作用之后的聚乙烯膜體為實驗組。分別進行聚乙烯膜體的電鏡表征，能夠直觀的體現(xiàn)出膜體表面發(fā)生的變化。

(5)黃粉蟲取食聚乙烯粉末的生命特性探究

在實驗項目前期對聚乙烯取食特性的研究基礎(chǔ)上，本實驗項目對黃粉蟲的聚乙烯取食特性進行了系統(tǒng)性研究。統(tǒng)計了不同聚乙烯質(zhì)量比對黃粉蟲失重率和存活率的影響。

2.結(jié)果與討論

(1)黃粉蟲取食聚乙烯特性初步研究

麥麩與低密度聚乙烯粉末質(zhì)量比例分別為9:1、4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4、1:9、0:1，對黃粉蟲進行了十個不同質(zhì)量比例的喂養(yǎng)，一個比例喂養(yǎng)時間為5天。通過麥麩/聚乙烯不同質(zhì)量比喂養(yǎng)黃粉蟲，初步探究了聚乙烯在其中產(chǎn)生的影響。如圖1，結(jié)果顯示不同質(zhì)量的聚乙烯粉末添加量的變化會影響到黃粉蟲凈重變化量。

圖1 黃粉蟲凈重變化量與聚乙烯粉末添加量的關(guān)系

(2)黃粉蟲體內(nèi)降解聚乙烯微生物的初步分離

收集一定數(shù)量的黃粉蟲，分離腸道內(nèi)容物并去除懸浮物，清液作為接種物被轉(zhuǎn)移到含有1g低密度聚乙烯粉末和80mL LCFBM的250mL錐形瓶中，120rpm、30℃水浴恒溫振蕩培養(yǎng)14天。將上述錐形瓶中的培養(yǎng)物涂布于CFBAM，兩天后出現(xiàn)明顯菌落。接種環(huán)挑取菌落于LCFBM中形成菌液，菌液在6℃的防爆冰箱中保存。

(3)黃粉蟲聚乙烯降解性能的紅外表征

為研究聚乙烯粉末在通過黃粉蟲腸道系統(tǒng)前后發(fā)生的具體變化，本研究項目對聚乙烯粉末、取食聚乙烯黃粉蟲的糞便和取食麥麩黃粉蟲的糞便進行了固體樣品的紅外分析，紅外分析見圖2。

圖2 聚乙烯粉末、取食聚乙烯黃粉蟲糞便和取食麥麩黃粉蟲糞便的紅外分析

3100～3000cm-1處有吸收峰，可知含有芳香環(huán)或者烯烴類。2922.53cm-1處有吸收峰，說明存在脂肪族C-H伸縮振動強峰，1398.28cm-1為彎曲振動強峰。在1652.71cm-1有吸收峰，則說明有C-O伸縮振動。由于實際聚乙烯很少是完全線性的，低密度聚乙烯有許多支鏈，因此在1394cm-1處附近能觀察到甲基彎曲振動的譜帶。840～790cm-1處的吸收峰為烯烴三取代C=C彎曲振動。食用聚乙烯的糞便和食用麥麩的糞便光譜在700～800cm-1都出現(xiàn)了強烈的吸收峰，表明聚乙烯在昆蟲體內(nèi)發(fā)生了變化。食用聚乙烯的糞便在1100cm-1附近的吸收峰表明在昆蟲體內(nèi)產(chǎn)生了無機磷酸鹽類或者酯族醚類物質(zhì)。

(4)降解作用前后聚乙烯膜表面形態(tài)變化

聚乙烯膜體表面劣化是降解效能的重要依據(jù)，能夠直觀的表達(dá)出微觀上的變化。本項目對降解作用前后的聚乙烯膜體進行了電鏡表征，電鏡表征圖如圖3、圖4。

圖3 降解作用前聚乙烯膜體表面形態(tài)

圖4 降解作用后聚乙烯膜體表面形態(tài)

根據(jù)以上表征圖片可知，降解作用前后的聚乙烯表面形態(tài)有較為明顯的變化。但是這樣一種變化常被認(rèn)為是不太正常的現(xiàn)象，甚至不能說這樣一種變化是由菌種的降解作用所引起的。因為菌種對于膜體材料的降解作用，通常被認(rèn)為是一種均勻的劣化。

(5)黃粉蟲取食聚乙烯粉末生命特性探究

為探究黃粉蟲取食聚乙烯粉末之后生命特性有關(guān)現(xiàn)象，參考許詩杰等人[7]的相關(guān)研究，本項目對黃粉蟲進行了麥麩/LLDPE不同質(zhì)量比例的規(guī)律喂養(yǎng)實驗。在黃粉蟲恢復(fù)到正常的生長狀態(tài)以后，分組培養(yǎng)；麥麩/LLDPE質(zhì)量比例分別為0:1、2:3、4:1、1:4、3:2、1:0，總質(zhì)量為15g；每組實驗使用150條生長狀態(tài)良好的黃粉蟲，每個質(zhì)量比例同時做兩組實驗。數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1，數(shù)據(jù)分析見圖5、圖6。

圖5 飼養(yǎng)麥麩與LLDPE混合料黃粉蟲存活率

圖6 飼養(yǎng)麥麩與LLDPE混合料黃粉蟲平均蟲質(zhì)量

表1 黃粉蟲取食聚乙烯生命特性數(shù)據(jù)詳細(xì)

由圖5可知在飼養(yǎng)過程中，無論麥麩/LLDPE質(zhì)量比例如何變化，整體趨勢為下降。其中比例為0:1的組別，也就是單純喂養(yǎng)聚乙烯，存活率下降最為顯著，表明了聚乙烯粉末對黃粉蟲的抑制作用。其它組別在一定范圍內(nèi)變化，但區(qū)分不明顯，區(qū)分不明顯的原因可能是其它組別添加的麥麩對于黃粉蟲在整個飼養(yǎng)過程中尚未利用完全。

圖6中體現(xiàn)的是在飼養(yǎng)的在整個過程中，黃粉蟲蟲體平均質(zhì)量的變化。喂養(yǎng)過程中蟲體質(zhì)量應(yīng)該是有一定的增長的，但是由圖6可知整體呈下降趨勢，也就是說飼養(yǎng)過程中，各組別的黃粉蟲一直是處于一個失重的狀態(tài)。其中0:1的組別（完全由聚乙烯飼養(yǎng)）下降的最快，其它組別下降趨勢線雖然較為靠近，但仔細(xì)辨別還是能夠觀察出隨著聚乙烯添加量的增加黃粉蟲蟲體平均質(zhì)量下降的更快。黃粉蟲的正常生長需要適宜的溫度和濕度，實驗保持培養(yǎng)溫度為最適溫度。所以關(guān)于蟲體為什么一直處于一個失重的狀態(tài)，推測為培養(yǎng)環(huán)境中較低的空氣濕度所引起的。

3.總結(jié)與展望

(1)加快各種降解過程的機理研究

針對聚乙烯降解，相關(guān)的研究有不同的具體效果；但是對于降解的具體變化過程的研究較少，而這卻十分有必要。在探索清楚聚乙烯的降解機理之后，可改變一些客觀條件去強化降解過程的某一個環(huán)節(jié)，可能會在聚乙烯的降解效能上有一個較大的提升。

(2)蟲體降解產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

生物降解被認(rèn)為是治理塑料污染有希望的一個發(fā)展研究方向，而昆蟲的產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖是昆蟲降解塑料的一項重大優(yōu)勢，由此可知昆蟲降解聚乙烯背后的巨大潛力。

(3)降解技術(shù)、降解塑料雙向發(fā)力

以聚乙烯為代表的塑料制品，相關(guān)的降解研究有一定的效果，但單獨靠生物降解來消除塑料污染還不太現(xiàn)實，由此提出兩項展望意見。第一，如前所述加強過程研究、強化降解關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以提升微生物的降解能力，是一個著重點。第二，加大對生物降解塑料的研發(fā)投入，使塑料主體更容易被降解，是治理塑料污染的又一個重點。