大蠟螟幼蟲降解塑料及可降解塑料的研究進(jìn)展

王瑛璇 任芳沅 張歆怡

（沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 遼寧沈陽 110034）

隨著微信、支付寶支付的不斷完善，“互聯(lián)網(wǎng)+餐飲服務(wù)”不斷普及，在如此快節(jié)奏的社會(huì)下，外賣的確給人們的生活帶來了便利，尤其是針對(duì)“上班族”和“學(xué)生黨”課程或工作繁多、午休時(shí)間不夠充足的現(xiàn)實(shí)情況，味美價(jià)廉的外賣廣受他們的青睞。然而，外賣包裝多為塑料制品。環(huán)保組織“自然大學(xué)”在2017年的一項(xiàng)調(diào)研顯示，餓了么、美團(tuán)外賣、百度外賣這三大平臺(tái)的日訂單量總和在2000萬單左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每單外賣平均消耗3.27個(gè)一次性塑料餐盒/杯［1］，這意味著外賣每天消耗的餐盒超過6000 萬個(gè)，日積月累后，更是無法估量，這些塑料垃圾多數(shù)無法二次利用，無論是焚燒還是填埋，都會(huì)給經(jīng)濟(jì)及環(huán)境造成不小的壓力。近年來，國內(nèi)外研究已證實(shí)大蠟螟幼蟲可以降解塑料，且與其腸道菌落密不可分［2］。此外，生物降解塑料現(xiàn)象也廣泛存在于生活中，如大米中滋生的米象能輕易啃食咬破塑料米袋、面包蟲不能用泡沫箱養(yǎng)、有塑料制品長(zhǎng)期堆放的垃圾堆也會(huì)有黃粉蟲的出現(xiàn)、海洋中的蛀船蟲和鉆孔蚌能夠侵蝕聚乙烯和海底電纜等［3］。

1 塑料及可降解塑料發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 常見塑料的種類及其應(yīng)用

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)工藝手段的進(jìn)步，塑料制品工藝也將在未來不斷得到優(yōu)化。常見的塑料有如下類型。

聚乙烯（PE）：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿鹽水溶液的浸泡，因此常用來做食品包裝袋和各種容器。

聚氯乙烯（PVC）：軟硬度范圍更大，由于添加了一些增塑劑、抗老化劑等有毒物質(zhì)，因此一般不用來儲(chǔ)存食品和藥品，而用于制作各種管道。

聚苯乙烯（PS）：透光性好，但質(zhì)脆，常用于燈罩制作、家用餐具托盤等。

聚丙烯（PP）：無毒無味，耐熱，耐腐蝕，常用作一次性餐具。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物類（ABS）：具有良好電鍍性能，耐熱堅(jiān)固，常用于制作按鍵、汽車零件、冰箱等。

聚甲醛（POM）：俗稱“賽鋼”，具有很低的摩擦系數(shù)和幾何穩(wěn)定性，常用于生產(chǎn)軸承、齒輪等。

聚酰胺（PA、尼龍）：堅(jiān)韌耐磨，彈性大，常用作減磨耐磨零件［4］。

1.2 可降解塑料的研究進(jìn)展

當(dāng)人們開始意識(shí)到塑料的自然降解需要成百上千年之后，科學(xué)家開始研究可以縮短降解時(shí)間且對(duì)環(huán)境危害較小的塑料。

首先被發(fā)明出的是淀粉改性塑料。這種塑料的生成是在傳統(tǒng)的塑料聚合過程中加入淀粉改性物質(zhì)，但是這種塑料只是將其變?yōu)樗芰闲K片段，不但加大了回收難度，而且仍會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染。

其次出現(xiàn)的是光、熱降解塑料。它能夠在紫外線照射或溫度較高的條件下，促進(jìn)塑料中含有光敏物質(zhì)的聚合物發(fā)揮作用，加速塑料的光熱氧化反應(yīng)過程，使其快速分解，但是它們被光和熱的條件所限制，導(dǎo)致塑料的降解速率極其不穩(wěn)定，效果不明顯。

現(xiàn)在發(fā)展到了生物降解塑料階段，生物可降解塑料大約有以下幾種：聚羥基烷酸酯（簡(jiǎn)稱PHA）、再生纖維素淀粉塑料、PLA、PBS、PCL、聚乙醇酸、淀粉基塑料。其中，PHA 具備生物可降解性和生物相容性等特點(diǎn)，多用于器官移植、農(nóng)業(yè)用薄膜［5］。近幾年，有研究表明，利用廚余垃圾可經(jīng)過一系列工藝技術(shù)合成PHA。聚乳酸（PLA）是目前該領(lǐng)域價(jià)格最低、應(yīng)用范圍最廣的生物降解塑料。

2 大蠟螟幼蟲降解塑料的研究

2.1 大蠟螟的屬性特征

大蠟螟（Galleria mellonella）屬鱗翅目、螟蛾亞科蠟螟昆蟲，其幼蟲以蜂巢脾為食，是中華蜜蜂的主要敵害，也被視為農(nóng)業(yè)害蟲［6］。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多研究者發(fā)現(xiàn)大蠟螟具有生長(zhǎng)發(fā)育周期短、食料來源較為廣泛、易繁殖，并且其幼蟲含有豐富的蛋白質(zhì)等特點(diǎn)。所以，近年來，人們對(duì)它不再局限于防治，而是利用它的優(yōu)點(diǎn)，使其作為試驗(yàn)昆蟲和飼料餌料加工原料等［7］。當(dāng)大蠟螟作為經(jīng)濟(jì)昆蟲飼養(yǎng)時(shí)，應(yīng)喂養(yǎng)含蛋白質(zhì)、氨基酸等必需營養(yǎng)物質(zhì)較多的飼料，如可以用帶有花粉的廢棄巢脾用作食料飼養(yǎng)幼蟲［8］。

大蠟螟的生長(zhǎng)發(fā)育周期分為4個(gè)階段，依次是卵、幼蟲、蛹、成蟲。但只有大蠟螟的幼蟲具備啃食塑料的能力。在正常發(fā)育情況下，大蠟螟的老熟幼蟲體長(zhǎng)大約為22mm，頭寬大約為2.25mm。幼蟲體整體呈乳白色，表皮上分布排列著許多黑色小圓顆粒，頭部和前胸背板有明顯剛毛，氣門環(huán)呈黑色，氣門孔呈乳白色，額高占頭高的80%［9］。幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育周期可持續(xù)6個(gè)星期至6個(gè)月。幼蟲時(shí)期的食物成分異同和不同發(fā)育階段的時(shí)長(zhǎng)都會(huì)影響成蟲個(gè)體的顏色和大小。一般雄性個(gè)體小于雌性個(gè)體［10］。

2.2 大蠟螟幼蟲取食塑料的生長(zhǎng)發(fā)育變化

早在多年前就有研究人員發(fā)現(xiàn)“昆蟲可以吃塑料”，北京航空航天大學(xué)的楊軍教授等人發(fā)表了2篇證明黃粉蟲可降解聚苯乙烯的論文。秦小燕將食塑昆蟲印度谷螟（P.interpunctella）作為研究對(duì)象，通過高溫凝膠滲透色譜法和紅外光譜法，分析其糞便，證實(shí)其確實(shí)有食塑能力，也依賴其腸道中的微生物［11］。在此之后，有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，并從黃粉蟲腸道中獲取可以降解塑料的菌種。到目前為止，“吃塑料”的昆蟲多達(dá)14種，大蠟螟幼蟲便是其中之一。

發(fā)現(xiàn)大蠟螟幼蟲能夠啃食塑料的是貝爾托基尼和英國劍橋大學(xué)的保羅邦貝利科研小組，他們將大約100 只大蠟螟幼蟲和一堆塑料袋放在一起，12h 后，研究人員發(fā)現(xiàn)這堆塑料袋的數(shù)量明顯減少了。大蠟螟幼蟲能啃食塑料可能由于其幼蟲以蜂蠟為食，而蜂蠟的化學(xué)結(jié)構(gòu)與PE塑料極其相似，都是由高度多樣化的脂質(zhì)化合物組成［12］。由此可推出，其幼蟲可取食塑料并且體內(nèi)含有可降解塑料的酶或菌群。這些研究對(duì)解決塑料污染問題有著重大意義。

唐瑞、林佳倚等研究人員用PE 塑料膜喂養(yǎng)大蠟螟，發(fā)現(xiàn)不同比例的微塑料對(duì)大蠟螟幼蟲的生長(zhǎng)發(fā)育有著不同影響。當(dāng)微塑料比例為0%時(shí)，幼蟲存活率最高在96%左右。在取食塑料占比5%～25%的情況下，微塑料比例升高，幼蟲存活率逐漸降低，但趨勢(shì)不明顯，依然可以存活。隨著喂塑料的比例增大，幼蟲生存率降低，其原因在于PE塑料不能完全作為飼養(yǎng)大蠟螟食料，當(dāng)營養(yǎng)不足時(shí)，會(huì)出現(xiàn)細(xì)菌感染或自相殘殺等情況，幼蟲生存率降低［2］。因此，雖然其以塑料為食，但缺少必然的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)使其幼蟲存活率大幅度降低。Ekaterina Pererva 在實(shí)驗(yàn)中并沒有用單一的塑料作為食物來培養(yǎng)大蠟螟幼蟲，而是加入麥麩和蜂蠟作為輔助碳源，這樣大大延長(zhǎng)了幼蟲的壽命，提高了存活率［13］。因此可得出，其幼蟲雖然可以塑料為食，但如果缺少必要的營養(yǎng)物質(zhì)，幼蟲的死亡率會(huì)大幅度上升。

2.3 可降解塑料的大蠟螟幼蟲腸道菌

何歡、楊明飛等人對(duì)大蠟螟幼蟲的腸道可培養(yǎng)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。研究人員利用DNA 序列測(cè)序技術(shù)，來鑒別分析腸道細(xì)菌的種類。他們從幼蟲腸道分離并純化了16 種可培養(yǎng)細(xì)菌，其中，芽孢桿菌屬9株、腸球菌屬4株、葡萄球菌屬2株、莫拉菌屬1株，以及不動(dòng)桿菌屬1株，在這些菌株中，芽孢桿菌科較其他可培養(yǎng)腸道菌株最具優(yōu)勢(shì)［14］。Yang 等人從大蠟螟幼蟲的腸道中分離出兩株可培養(yǎng)塑料降解菌，分別是Bacillus sp.YP1和Enterobacter asburiae YT1［12］。

李亞飛等人從取食聚乙烯的大蠟螟幼蟲的腸道分離出2 種細(xì)菌，分別是LYF-1、LYF-2。第一種細(xì)菌能夠分解線型低密度聚乙烯和低密度聚乙烯。第二種細(xì)菌能夠分解線型低密度聚乙烯和普通塑料。兩種細(xì)菌混合使其降解能力增強(qiáng)并且可以分解3種密度的聚乙烯，使其表面出現(xiàn)孔洞裂痕［15］。

Ekaterina Pererva 的研究發(fā)現(xiàn)證明了大蠟螟的幼蟲取食聚苯乙烯的能力明顯比取食聚乙烯的能力弱。研究人員在以蜂蠟或麥麩作為輔助碳源的大蠟螟幼蟲腸道中測(cè)出具有加大的優(yōu)勢(shì)菌種屬，分別是Enterococcus、Geobacillus 和Pseudomonas，其中，Geobacillus 和Pseudomonas可能能夠降解聚苯乙烯［13］。

胡亞楠等人的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為特有的新疆蜜蜂蜂巢中的土著大蠟螟，他們從幼蟲腸道提取出的細(xì)菌以PE為唯一碳源進(jìn)行體外培養(yǎng)，進(jìn)一步篩選出擁有更高降解能力的菌株。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新疆蜜蜂蜂巢中的土著大蠟螟腸道內(nèi)提取出來的菌株對(duì)PE 的降解效率高于其他生物的分離菌株。由數(shù)據(jù)可知，Bacillus cereus 和Enterobacterbugandensis具有更高的降解塑料能力［16］。

Zhang 等人從大蠟螟的腸道中分離出可降解高密度聚乙烯的真菌為Aspergillus flavus PEDX3。研究人員將該真菌培養(yǎng)28d 后，發(fā)現(xiàn)高密度聚乙烯被降解為分子量較小的MPP，并且利用FT-IR 技術(shù)證實(shí)了這一現(xiàn)象。該研究還發(fā)現(xiàn)了2種PE降解酶［17］。

3 結(jié)語

塑料在人們的生活中無處不在，各種塑料制品已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。這種高分子化合物化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較好的耐磨性、絕緣性、防水性，質(zhì)量輕容易成型且加工成本較低等，被應(yīng)用到各行各業(yè)。隨之而來的便是環(huán)境污染加劇，廢棄塑料處理大多數(shù)也只是選擇填埋的方式，而塑料燃燒產(chǎn)生的有毒氣體不僅會(huì)危害環(huán)境，也會(huì)影響人體健康，所以解決塑料污染問題迫在眉睫，最重要的還是從源頭上進(jìn)行解決，再利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行輔助。人們生活水平提高的同時(shí)，也意識(shí)到塑料污染問題的嚴(yán)重性。在日常生活中，應(yīng)該對(duì)塑料袋重復(fù)使用，購買商品時(shí)也盡量使用布袋、紙袋或可降解塑料袋。當(dāng)然，垃圾分類同樣重要，應(yīng)將產(chǎn)生的垃圾進(jìn)行分類并送到指定地點(diǎn)進(jìn)行處理，這樣既可以提高資源的有效利用率，也可減少垃圾亂堆砌對(duì)環(huán)境造成污染的現(xiàn)象。有許多研究已經(jīng)證明一些昆蟲可以啃食塑料，它們的部分腸道菌株可以降解塑料，雖然這些還處于初期發(fā)展階段，但相信未來的塑料污染問題可以慢慢得到解決。