黄粉虫幼虫对消费后发泡聚苯乙烯和低密度聚乙烯的生物降解作用：非受控环境下的化学转化机制研究

《Microplastics》：Biodegradation of Post-Consumer Expanded Polystyrene and Low-Density Polyethylene by Tenebrio molitor Larvae Israel ávila-Lázaro, Daniel Gustavo López-Couoh, Alejandro ávila-Ortega, José Antonio Azamar-Barrios, Germán Giácoman-Vallejos, Carlos Alberto Quintal-Franco, José Ramón Laines-Canepa and María del Carmen Ponce-Caballero

本文综述了黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫在非受控环境条件下，对消费后低密度聚乙烯（LDPE）和发泡聚苯乙烯（EPS）的降解能力。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、凝胶渗透色谱（GPC）和气相色谱-质谱联用（GC–MS）等多种分析手段，证实了幼虫摄食可诱导聚合物发生化学改性，包括氧化功能团（如–OH和C=O）的出现、分子量降低以及添加剂和降解产物的释放。研究表明，尽管未能实现完全矿化，但黄粉虫可作为研究生物介导的塑料早期转化路径的有效模型，其降解过程受共基质（如麦麸）补充的影响，对理解和应对现实环境中的塑料废物挑战具有直接意义。

　　

研究背景与挑战

消费后塑料因其化学稳定性、添加剂的存在以及预先的环境风化作用，其环境持久性仍然是一个关键挑战。低密度聚乙烯（LDPE）和发泡聚苯乙烯（EPS）广泛用于一次性包装，但由于其碳-碳主链的稳定性，通常被视为不可生物降解。因此，观察到的任何结构变化都应被解释为部分生物降解或生物转化，而非固有的生物降解性。先前研究虽已表明黄粉虫幼虫能够摄入并部分转化EPS和LDPE，但多依赖于纯净或实验室级聚合物，且在严格控制的温湿度条件下进行。消费后塑料与纯净聚合物差异显著，通常含有增塑剂、抗氧化剂等添加剂，并可能经历了紫外线暴露、氧化等环境风化，这些因素会显著影响聚合物对生物转化的敏感性。因此，本研究旨在弥补实验室降解实验与实际塑料废物化学复杂性之间的知识鸿沟。

材料与方法

幼虫与实验设计：实验使用来自墨西哥梅里达当地农场的约2000只黄粉虫幼虫。在适应实验室环境后，将幼虫随机分为四组实验饮食：仅LDPE（LDPE-only）、LDPE加麦麸（LDPE+S）、仅EPS（EPS-only）、EPS加麦麸（EPS+S）。每组100只幼虫，实验持续10天。此外，还设置了未暴露于幼虫的消费后塑料作为非生物对照，用于区分幼虫活动引起的变化与被动环境过程引起的变化。

塑料基材：使用的EPS来自家用电器缓冲包装，LDPE来自一次性购物袋和柔性包装膜，均为消费后材料，收集后未经任何洗涤或预处理。塑料被切割成特定尺寸的块状或片状，并使用分析天平称重初始质量。

取样与幼虫性能监测：实验期间，每24小时将幼虫暂时转移至干净容器进行12小时的粪便收集。幼虫生物量在每48小时的采样点记录，并计算体重增益系数（WGC），以初始（第0天）平均个体生物量为基准，归一化幼虫数量的变化。

物理化学表征：

1. 1.
   傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：用于分析LDPE、EPS和粪便样品中的功能基团。光谱在400–4000 cm^?1的波数范围内采集，使用衰减全反射附件。
2. 2.
   高效液相色谱-凝胶渗透色谱（HPLC–GPC）分析：用于评估粪便中THF可溶性聚合物衍生部分的分子量分布变化，测定数均分子量（M_n）、重均分子量（M_w）和多分散性指数（M_w/M_n）。使用聚苯乙烯标准品进行校准。
3. 3.
   气相色谱-质谱联用（GC–MS）分析：用于鉴定幼虫粪便THF提取物中的有机化合物。通过比对NIST05质谱库进行化合物鉴定。
   所有分析均包含仅饲喂麦麸的幼虫粪便作为分析对照，以评估内源性幼虫代谢物是否产生可检测信号。

结果

幼虫存活动态与生物量保留：在10天的实验期内，所有饮食组中幼虫存活率相对稳定，个体数量的减少主要归因于正常的幼虫-蛹转变，而非急性死亡。与补充麦麸的饮食相比，仅饲喂塑料的饮食导致个体平均生物量下降更显著，其中仅EPS饮食的WGC最低（0.886）。补充麦麸的饮食（LDPE+S和EPS+S）则显示出接近1的WGC值，表明其有助于维持幼虫的基础代谢需求。

塑料生物降解与质量变化：在实验终点（第10天），所有饮食组均观察到可测量的塑料质量损失。补充麦麸的饮食比相应的纯聚合物饮食表现出更大的塑料质量损失。对于LDPE，LDPE+S饮食的消耗量最高（0.1118 g；10.66%），而LDPE-only消耗量较低（0.0493 g；4.86%）。相比之下，EPS的累积质量损失较低，EPS-only和EPS+S饮食的净减少量分别为0.0641 g（1.04%）和0.0793 g（1.35%）。非生物对照塑料在相同条件下未表现出可测量的质量损失。

FTIR分析揭示的化学转化：

• •
  LDPE：与原始LDPE相比，摄食LDPE和LDPE+S饮食的幼虫粪便提取物光谱中，出现了1000–1200 cm^?1区域的C–O伸缩振动、3640 cm^?1处的O–H伸缩振动以及1300–1450 cm^?1处的醇类弯曲振动等含氧官能团吸收带，表明聚合物基质发生了氧化修饰。
• •
  EPS：摄食EPS和EPS+S饮食的幼虫粪便提取物光谱显示，在3645 cm^?1处出现了O–H伸缩振动带，表明形成了羟基。此外，特征芳香族谱带（如698 cm^?1和758 cm^?1处的面外C–H弯曲）强度降低，1452 cm^?1、1492 cm^?1和1601 cm^?1处的C=C伸缩振动也发生了变化，表明芳香族骨架发生了结构重排和部分氧化。
  仅饲喂麦麸的粪便对照样品在相同分析条件下未显示超出溶剂可归因的额外FTIR吸收带。

GPC分析的分子量变化：

• •
  EPS：粪便中检测到的EPS衍生部分的数均分子量（M_n）相对于原始EPS（M_n= 188,626 g mol^?1）显著降低，且多分散性指数增加，表明发生了异质性链断裂和部分解聚。
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  LDPE：由于原始LDPE在所用溶剂四氢呋喃（THF）中不溶，无法通过GPC进行定量。然而，在摄食LDPE和LDPE+S饮食的幼虫粪便提取物中检测到了THF可溶性、低分子量的聚合物衍生片段，表明尽管无法量化原始LDPE，但发生了聚合物碎片化。这些片段的GPC曲线呈现平坦的轮廓，表明分子量分布范围较宽。
  仅饲喂麦麸的粪便对照样品在相同GPC条件下未产生可检测的色谱信号。

GC–MS鉴定的化合物：在暴露于LDPE和EPS饮食的幼虫粪便中，GC–MS分析鉴定出多种有机化合物，包括芳香烃、邻苯二甲酸酯、有机硅氧烷和脂肪酸衍生物。根据全球化学品统一分类和标签制度（GHS），大多数化合物被归为IV类和V类，表明预测的口服毒性为中度至低度。所有鉴定出的化合物均被预测能够穿过血脑屏障。补充麦麸的饮食（EPS+S和LDPE+S）检测到的化合物数量和化学多样性最高。仅饲喂麦麸的粪便对照样品的GC–MS色谱图与塑料暴露样品不同，且以溶剂相关化合物为主，支持了所鉴定化合物源自塑料相关材料而非内源性幼虫代谢物的结论。

讨论

幼虫存活与生物量动态：短期暴露于LDPE和EPS饮食未在实验条件下诱发致死效应，这与先前关于黄粉虫摄食聚合物饮食的研究一致。塑料饮食主要导致生长受限或体重减轻，反映了能量限制而非急性毒性。补充麦麸通过提供额外的营养输入，有助于稳定幼虫存活和维持生物量。

塑料质量变化与化学转化：观察到的塑料质量损失，特别是补充饮食中更高的质量损失，表明幼虫与聚合物存在相互作用。然而，仅凭重量测量无法区分物理磨损、部分摄入和有意义的化学降解。FTIR和GPC提供的互补证据表明，发生了化学改性和分子量变化，支持生物介导的聚合物转化，而非简单的物理破碎。含氧官能团的出现和分子量分布的加宽是氧化降解和链断裂的典型标志。

化学多样性、添加剂和降解产物：GC–MS鉴定出的化合物多样性，特别是补充饮食中更高的检出率，表明有机共基质可能通过增强幼虫肠道或相关微生物群中的微生物或酶活性，从而增加了转化产物的可检测性。检测到的化合物（如抗氧化剂、增塑剂）与聚合物添加剂或其降解产物一致，强调了在评估昆虫介导的塑料降解时考虑添加剂释放和转化的重要性。

聚合物转化与环境意义：综合来看，研究结果表明黄粉虫幼虫能够在短期暴露条件下诱导LDPE和EPS发生早期转化，包括部分氧化、碎片化和化学改性，并伴随添加剂相关化合物的释放。这一定性为部分解聚和化学改性，而非完全矿化。补充麦麸的饮食在减轻生物量损失和增加粪便化学多样性方面的作用，凸显了共基质在维持幼虫代谢和可能促进聚合物转化过程中的作用。从环境角度看，这些发现既揭示了昆虫介导塑料转化的潜力，也指出了其局限性。添加剂衍生化合物的生成引发了对下游环境和毒理学影响的考虑。因此，昆虫介导的塑料降解应被视为更广泛废物管理框架内的早期转化过程，需要进一步研究长期降解路径、添加剂的归宿以及相关的生态风险。

结论

本研究证明，黄粉虫幼虫能够在短期暴露条件下诱导消费后发泡聚苯乙烯和低密度聚乙烯发生可测量的物理化学转化。证据包括终点塑料质量损失、FTIR检测到的官能团改性、GPC评估的分子量分布降低以及GC–MS在幼虫粪便中鉴定出的聚合物相关化合物和添加剂。

幼虫存活在所有饮食条件下保持稳定，个体数量的变化主要反映正常的幼虫-蛹转变。使用归一化体重增益系数评估的生物量动态表明，纯聚合物饮食导致个体相对生物量损失，而补充麦麸缓解了这种效应。这表明塑料摄入未诱发致死性胁迫，但造成了能量限制，有机共基质的存在可以部分抵消这种限制。

比较分析显示，补充麦麸的饮食与更高的塑料质量损失和粪便提取物中更大的化学多样性相关，表明易获取的碳源可能促进与聚合物转化相关的代谢和微生物过程。然而，观察到的变化对应于部分解聚和化学改性，而非完全矿化。

总体而言，这些发现支持将黄粉虫幼虫作为一种生物模型，用于研究在环境相关的消费后条件下塑料聚合物的早期转化路径。尽管观察到的转化不构成完全生物降解，但它们为了解生物系统中塑料材料下游碎片化和改变的初始过程提供了见解。未来结合更长的暴露期、受控的非生物比较以及定量矿化终点的研究，对于进一步阐明昆虫介导塑料转化的环境意义至关重要。