短链脂肪酸对降解塑料的Zophobas morio幼虫中微塑料积累的缓解作用及其机制探究

《Environmental Research》：Mitigation effects of short-chain fatty acids on microplastic accumulation in plastic-degrading Zophobas morio larvae and mechanistic insights

本研究验证了短链脂肪酸（SCFAs）可显著减少斑马金龟幼虫降解塑料后体内微塑料的积累，通过多组学分析揭示其机制，为昆虫降解塑料后的安全应用提供了策略。

　　

康亮|云佳|何仁涛|丁斌

山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市，266590

摘要

Zophobas morio幼虫能够主动摄取并消化塑料泡沫。然而，人们仍然担心塑料降解后幼虫体内可能残留微塑料，这限制了其安全和可持续利用。本研究证实了塑料降解后幼虫体内会积累微塑料，并探讨了补充短链脂肪酸（SCFAs）对这一过程的影响及其分子机制。热解气相色谱-质谱（Py-GCMS）分析表明，SCFAs显著抑制了塑料降解幼虫肠道、脂肪体和马尔皮基管中的微塑料积累。与仅喂食纯聚苯乙烯相比，补充SCFAs后，聚苯乙烯的数均分子量降低了3.8 kDa，重量均分子量降低了76 kDa。此外，SCFAs改善了塑料喂养幼虫的粪便形态，有利于肠道排空并减缓了肠道中微塑料的积累。同时，SCFAs还能减轻肠道损伤，保护肠道屏障，从而抑制微塑料向其他组织的转移。具体而言，SCFAs通过抑制肠道病原菌并增加11-脱氧前列腺素F1β、前列腺素K2和PG(FGF1α/i-21:0等肠道免疫物质来保护肠道。此外，SCFAs显著上调了与氧化应激反应和膜修复相关的基因表达，逆转了塑料摄入对幼虫肠道中C2H2型结构域蛋白和GH18型结构域蛋白表达的抑制作用。本研究揭示了塑料降解过程中微塑料在昆虫体内积累和转移的风险，提出了可行的规避策略，并为确保塑料降解后昆虫幼虫的安全经济再利用提供了潜在解决方案。

引言

塑料污染已成为全球性的环境问题，对生态系统和人类健康构成严重威胁（MacLeo等人，2021年）。近年来，利用昆虫进行塑料生物降解作为一种绿色可持续的解决方案受到了广泛关注（Chen等人，2023年）。Zophobas morio幼虫因其显著的塑料降解能力成为研究热点。研究表明，这些幼虫的肠道微生物群在塑料降解过程中起着关键作用。然而，Z. morio幼虫降解塑料后的经济应用问题尚未得到妥善解决。通常情况下，Z. morio幼虫由养殖场统一饲养，然后作为高质量动物蛋白添加到牲畜、家禽、水产品和宠物饲料中（Nascimento等人，2022年）。此外，由于Z. morio幼虫含有20%-35%的脂肪，其血淋巴中含有抗菌肽和抗氧化成分，因此也被用于工业和制药领域（Mlcek等人，2014年）。研究人员证实，喂食塑料30天的幼虫与传统方法饲养的幼虫在营养成分上没有显著差异（Zielinska等人，2021年）。然而，将塑料喂给小鼠的幼虫会导致小鼠多个器官中微塑料的积累（Wang等人，2024b）。这表明，如果继续将降解塑料的昆虫幼虫用于高价值用途，必须解决其体内微塑料积累的问题。理想情况下，肠道中的微塑料应随粪便排出体外（Yan等人，2022年）。但实际上，微塑料的摄入会引发肠道氧化应激和炎症，导致肠道菌群失调和肠道屏障功能障碍（Xie等人，2022年），进一步促进微塑料通过受损的肠道屏障转移到身体其他部位（Wang等人，2024a）。此外，塑料降解过程中产生的有害物质（如活性氧ROS）会损害幼虫的肠道（Ding等人，2024年；Peng等人，2023年）。从可持续性的角度来看，减少塑料降解过程中Z. morio幼虫的肠道损伤可能有助于提高其降解后生物体的价值。

短链脂肪酸（SCFAs）是肠道微生物群通过膳食纤维厌氧发酵产生的天然代谢物（Liu等人，2021年）。作为主要的微生物代谢物，SCFAs在胃肠道中发挥多种关键生理功能，包括作为肠道上皮细胞的主要能量来源、调节肠道微生物组成、调控肠道屏障通透性以及影响肠道敏感性和运动性（Martin-Gallausiaux等人，2021年）。此外，SCFAs具有抗炎作用，对维持肠道上皮细胞之间的紧密连接至关重要（Martin-Gallausiaux等人，2021年）。近年来，越来越多的证据表明SCFAs在增强宿主健康和疾病抵抗力方面的重要性，使其成为研究热点（Liu等人，2021年）。由于其成本效益和安全性能，SCFAs已被广泛用作水产养殖和畜牧业中的膳食补充剂，适用于鱼类、牲畜等动物的饲养（Deng等人，2025年）。然而，SCFAs是否能减轻塑料降解Z. morio幼虫的肠道损伤及其作用机制尚不清楚。在传统饲养条件下，Z. morio幼虫通常喂食小麦麸皮，其中含有丰富的纤维素，有助于肠道微生物群发酵和释放SCFAs（Yao等人，2022年）。然而，当这些幼虫仅喂食塑料时，产生SCFAs的肠道细菌可利用的底物显著减少，破坏了肠道稳态（Xiao等人，2020年）。

我们假设补充SCFAs可以减轻塑料降解引起的肠道损伤，并影响Z. morio幼虫体内微塑料的积累。通过整合宏基因组学、代谢组学、蛋白质组学和转录组学分析的多组学方法，我们将全面阐明SCFAs补充对幼虫肠道微生物群结构、代谢谱、蛋白质表达模式和转录调控的调控作用。使用热解气相色谱-质谱（Py-GCMS）分析了幼虫组织中的聚苯乙烯微塑料含量。

实验材料

本研究中使用的Z. morio幼虫来自中国广东的阳春万利养殖场。商业级聚苯乙烯粉末（PS，粒径250 μm）购自中国东莞的青田塑料原材料公司，其分子量特性为Mw=220.6 kDa和Mn=7.2 kDa。所有短链脂肪酸（SCFA）盐类，包括乙酸钠、丙酸钠和丁酸钠，均为分析级试剂，购自Aladdin生化技术有限公司。

SCFAs对Z. morio幼虫生长状态、肠道、粪便和微塑料积累的影响

0.2%和1%的SCFAs补充显著促进了幼虫生长，其中1%的效果更佳（图1A，P<0.05）。然而，更高浓度（5%和10%）则具有负面影响，导致体重显著下降（图1A，P<0.05）和死亡率升高（图1B）。值得注意的是，0.2%和1%的SCFA死亡率与PS对照组相当（P>0.05）。这些结果表明1%的SCFA是最佳浓度。

结论

本研究证实，SCFAs是一种有前景的添加剂，可减轻塑料降解过程中昆虫幼虫体内微塑料的积累，促进塑料降解后昆虫幼虫的安全经济再利用。这将有助于将可食用幼虫（如Zophobas morio幼虫）的塑料降解技术与传统饲养方法相结合，推动塑料降解产业的工业化、普及和应用。

作者贡献声明

康亮：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验实施、资金筹集、概念构思。云佳：数据验证、方法学分析、数据整理。何仁涛：软件操作、数据分析、数据整理。丁斌：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、项目管理、资金筹集

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52400173和52276091）和山东省博士后科学基金（SDCX-ZG-202303030）的支持。