《Journal of Hazardous Materials Advances》：Environmental application of plastic masticating insects: perspective of a sustainable approach to plastic degradation
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本文聚焦塑料污染这一全球环境危机，研究人员针对聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)难以自然降解的难题，开展了利用大蜡螟(Galleria mellonella)幼虫进行塑料生物降解的实用性研究。通过在受控条件(CC)和环境模拟条件(ECC)下的对比实验，证实幼虫可有效摄食并引发塑料化学结构氧化降解（傅里叶变换红外光谱FTIR证实），但摄食行为导致幼虫自身遭受显著基因毒性损伤（彗星试验证实）。分子对接揭示了多种酶（如氧化还原酶、水解酶）与塑料聚合物的强结合亲和力，凸显了其降解潜力。该研究为开发环境友好的塑料生物降解技术提供了关键证据，发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。
想象一下，我们日常生活中无处不在的塑料袋、泡沫包装盒，在使用后被随意丢弃，最终堆积在自然环境中。这些主要由聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)构成的合成聚合物，因其稳定的化学结构，抵抗着自然界的降解过程，成为困扰全球的“白色污染”。据统计，2022年全球塑料产量高达4亿吨，其中PE和PS占比巨大，但回收率却极低，大量塑料废物最终进入 landfills 或泄漏到生态系统中。如果放任不管，到2060年，塑料废物量预计将飙升至12.31亿吨。传统处理方法如填埋和焚烧存在二次污染风险，因此，寻找环境友好的塑料降解方案迫在眉睫。
在此背景下，生物降解，特别是利用生物体或其酶系来分解塑料，成为一种有前景的策略。近年来，科学家们发现一些昆虫幼虫，例如大蜡螟(Galleria mellonella)，能够啃食并降解塑料。大蜡螟幼虫自然以蜂蜡为食，而蜂蜡的化学结构与PE有相似之处，这启发了研究人员探索其降解塑料的潜力。先前研究多是在实验室严格控制的理想条件下进行的，然而，真实世界的环境复杂多变，温度、湿度等因素波动剧烈。那么，这些“塑料吞噬者”在更接近真实环境的表现如何？它们的“工作”效率是否会打折扣？摄食塑料对它们自身的健康又会产生怎样的影响？这些问题对于评估其大规模应用的可行性至关重要。
为了回答这些问题，由印度德里大学动物学系的Rupin Kumar、Jyoti Yadav、Sandhya Rai、Parimal K. Khan和Amod Kumar组成的研究团队，在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了一项研究，首次系统评估了大蜡螟幼虫在模拟环境条件下的塑料降解能力及其对幼虫健康的影响。研究不仅关注了幼虫在稳定实验室条件(CC)下的表现，还特别设置了环境模拟条件(ECC)，以考察温度、湿度自然波动对降解效率和幼虫生存、生长的影响。研究选取了常见的PE（包括薄膜和泡沫两种形态）和PS作为目标塑料。
研究人员开展了一项为期30天的生物降解实验。他们将大蜡螟幼虫分为不同组别，分别饲喂人工饲料、塑料（PE薄膜、PE泡沫、PS）单独或与饲料混合、以及设置饥饿对照组。实验在两种条件下进行：严格控制恒温恒湿避光的实验室条件(CC)和模拟自然环境温湿度及光周期波动的环境模拟条件(ECC)。定期记录幼虫体重变化、存活率以及塑料消耗量。实验结束后，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析塑料样品化学结构变化，通过扫描电子显微镜(SEM)观察塑料表面形态改变。此外，研究还通过计算机模拟(PROTOX-3.0)预测了塑料降解单体（乙烯、苯乙烯）的潜在毒性，利用分子 docking 技术探究可能参与降解的关键酶与塑料聚合物的结合能力，并通过彗星试验(Comet Assay)评估塑料摄食对幼虫血细胞DNA造成的损伤程度。
主要技术方法概述：
本研究核心方法包括：1) 生物降解实验：设置CC和ECC两种条件，分组饲喂大蜡螟幼虫不同饮食（纯塑料、塑料+饲料等），监测30天内幼虫生长、存活及塑料消耗；2) 化学与形貌分析：采用FTIR分析塑料降解前后化学键变化，SEM观察表面微观结构改变；3) 毒性评估：运用PROTOX-3.0进行乙烯和苯乙烯的计算机模拟毒性预测，通过彗星试验检测幼虫血细胞DNA损伤；4) 分子机制初探：利用AutoDock Vina进行分子对接，模拟潜在降解酶（如氧化还原酶、水解酶）与PE/PS聚合物的结合亲和力。
3. 结果与讨论
3.1. 生物降解测定
幼虫体重变化显示，在两种条件下，摄食PS并辅以人工饲料的组别增重最明显，而饥饿组体重下降最显著。存活率方面，CC条件下对照组的存活率高于ECC条件。ECC条件下，由于温湿度波动（温度25.2–36.7°C，湿度54–88%）作为一种环境压力信号，加速了幼虫向蛹期的转变，导致活跃取食的幼虫期缩短，整体存活率较低且各组间差异不大。塑料消耗量在CC条件下高于ECC，PS的消耗量相对较高，而PE薄膜的消耗量最低。ECC条件下，由于幼虫提前化蛹，取食时间缩短，所有塑料的消耗量均显著低于CC条件。估算表明，在CC条件下，每千克幼虫生物量每月可降解约0.12-0.36千克塑料，而在ECC条件下此效率降低。
3.2. 化学表征与塑料表面分析
FTIR分析显示，经过幼虫取食后，PE和PS样品均出现了显著的化学结构变化。PE样品在约3281 cm-1处出现了新的O-H伸缩振动峰，表明羟基的引入和氧化过程的发生。在1627 cm-1至1222 cm-1范围内出现了归属于C=C和C=O的吸收峰，提示产生了不饱和键和羰基化合物（如羧酸或醛）。在1108 cm-1附近的C-O伸缩振动峰表明可能形成了醇或酯类物质。PS样品也观察到类似的变化，如在3380 cm-1处羟基峰增强，1640 cm-1处出现C-H弯曲振动变化。这些光谱变化共同证明了幼虫通过其（酶促）活动引发了塑料聚合物的氧化降解，导致了新官能团的形成和聚合物结构的改变。SEM观察进一步证实了物理结构的破坏。随着暴露时间延长（7天、15天、30天），塑料表面从初始的光滑平整，逐渐出现褶皱、粗糙、孔洞和裂缝。PS因其脆性降解迹象出现较早，PE泡沫(PKG)在实验结束时降解程度最为明显。这种随时间推移而加剧的表面形态变化，直观地反映了幼虫的取食和（可能的）酶促作用对塑料的侵蚀过程。
3.3. 毒理学分析与分子对接
计算机模拟毒性预测（PROTOX-3.0）显示，塑料降解可能产生的单体乙烯和苯乙烯存在多种毒理学风险。乙烯被预测具有较高的肝毒性、致突变性、致癌性、血脑屏障(BBB)通透性以及与细胞色素P450 (CYP2C9)酶相互作用的概率。苯乙烯则显示出较高的致癌性、神经毒性、BBB通透性、与CYP2C酶相互作用以及Caco-2细胞通透性风险。分子对接结果表明，多种酶可能与PS和PE降解相关。对于PS，酒精 dehydrogenase (ADH)表现出最强的结合亲和力（结合能为-9.0 kcal/mol），其他如多铜氧化酶、细胞色素P450单加氧酶、长链烷烃单加氧酶等氧化还原酶也显示出较强的结合能力。对于PE，木质素过氧化物酶(LiP)和漆酶(Laccase)具有相对较高的结合亲和力（均为-5.3 kcal/mol）。这些结果从分子水平提示了昆虫体内可能存在的酶系统在攻击塑料聚合物链方面具有潜力，氧化还原酶可能在初始氧化断链中发挥关键作用。
3.4. 基因毒性测定
彗星试验结果揭示了塑料摄食对幼虫健康的负面影响。与对照组（尾部DNA%为3.1 ± 0.8%）相比，所有摄食塑料的幼虫组均表现出显著的DNA损伤。其中，摄食PE泡沫(PKG)的组别基因毒性效应最强（尾部DNA%为11.8 ± 2.5%，尾矩为8.7 ± 1.1），PS组次之（尾部DNA%为9.5 ± 2.2%，尾矩为6.9 ± 1.2），摄食PE薄膜(P)的组别损伤相对较轻但仍显著（尾部DNA%为6.4 ± 1.7%，尾矩为4.2 ± 0.9）。DNA损伤表现为典型的“彗星”拖尾现象。这表明，塑料在幼虫体内降解过程中可能产生了活性氧(ROS)或有毒降解产物，从而对幼虫细胞遗传物质造成了严重损伤。
4. 结论与讨论
本研究首次在模拟真实环境的半野外条件下，系统评估了大蜡螟幼虫降解塑料的可行性及其生物学代价。研究证实，即使在环境条件波动的情况下，大蜡螟幼虫仍然能够摄食并引发PE和PS的化学结构改变和表面物理损伤，FTIR和SEM结果提供了有力证据。然而，这种降解能力是以牺牲幼虫健康为代价的，彗星试验明确显示塑料摄食导致了显著的基因毒性应激。计算机模拟毒性预测警示了降解中间产物（如乙烯、苯乙烯）的潜在健康风险。分子对接结果则为进一步挖掘和优化关键降解酶（如氧化还原酶、水解酶）提供了线索。
综上所述，该研究不仅证实了大蜡螟幼虫在非理想环境下仍具备塑料降解潜力，推动了该领域从实验室向实际应用迈出一步，更重要的是，它清醒地指出了当前昆虫直接应用策略的局限性——即对生物载体自身造成的毒害效应。这强调了在未来研究中，分离、鉴定和优化关键降解酶，进而开发基于酶制剂的生物技术方案，可能比直接大规模饲养昆虫更具应用前景和环境安全性。同时，对降解产物毒理学特性和生态风险的评估必须成为未来技术开发不可或缺的一环。这项工作为可持续塑料废物管理提供了一条充满希望但需审慎前行的生物技术路径。
