在Zophobas morio幼虫摄入并降解塑料后，其粪便中残留塑料的再次降解过程

《Journal of Hazardous Materials》：Re-degradation of residual plastic in frass of Zophobas morio larvae after plastic ingestion and degradation

　　

丁斌|贾云|何仁涛|梁聪

中国石油大学（华东）新能源学院，中国山东省青岛市，266580

摘要

Zophobas morio幼虫可以摄取并消化聚烯烃塑料泡沫，但它们粪便中未降解的塑料残留物可能会造成二次污染。本研究证明这些幼虫能够进一步处理这些残留塑料。Z. morio幼虫在粪便中重新降解塑料残留物，使其数均分子量（Mn）降低了94.63%，重量平均分子量（Mw）降低了54.47%。这些降低幅度超过了它们降解原始聚苯乙烯塑料时的效果（Mn降低了73.10%，Mw降低了9.36%）。对肠道微生物群的分析表明，具有降解聚苯乙烯能力的Lactococcus菌在降解粪便塑料的幼虫中的数量比降解原始塑料的幼虫更多。此外，降解粪便塑料的幼虫（F组）的肠道损伤程度低于降解原始塑料的幼虫（PS组）。这与F组肠道中抗氧化或抗菌代谢物（如3-羟基褪黑素、2-咖啡酰羟基柠檬酸和D-鞘氨醇）的显著增加有关。同时，F组还表现出与肠道屏障功能和消化代谢相关的基因和蛋白质表达上调，以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP?）含量的减少。总体而言，本研究提供了一种低成本、简单的方法来减轻幼虫降解塑料后残留粪便塑料造成的二次污染。

引言

Zophobas morio幼虫和其他昆虫可以降解聚烯烃塑料[1]。大多数Z. morio幼虫仅以聚苯乙烯为食物来源即可生存[2]。当聚苯乙烯在幼虫肠道中被降解时，其化学结构会经历一系列变化（C–H > C–O > C=C > C–OH > C=O），这一过程由肠道内产生的大量活性氧和过氧化氢驱动[1]。然而，这种氧化作用也会在塑料降解过程中对肠道组织细胞造成应激性损伤[3]。此外，肠道微生物群的稳定性与宿主健康和肠道功能密切相关[4]，而塑料的摄入以及活性氧的产生会改变幼虫的固有微生物群组成[1]。例如，Lactococcus是昆虫体内重要的肠道细菌[5]，研究表明它有助于产生γ-氨基丁酸（GABA）和左旋多巴（L-DOPA）等神经递质，这两种物质都与昆虫的摄食和消化有关[6],[7]。此外，Enterobacteriaceae、Lactococcus和Spiroplasma已被确定为参与聚苯乙烯降解的功能性肠道微生物[1]。然而，随着聚苯乙烯摄入量的持续增加，Lactococcus等细菌的数量有所下降[1],[8]。

从降解效率来看，幼虫咀嚼和处理的聚苯乙烯在30天内的最终肠道降解率为49.7%，但仍有未降解的部分残留在它们的粪便中[1]。这一限制阻碍了基于昆虫的塑料降解技术的广泛应用，突显了需要可行的方法来处理昆虫粪便中的残留塑料。目前关于昆虫幼虫降解塑料的主要研究包括：揭示塑料在幼虫肠道中的解聚模式和降解动力学[9],[10]；探讨肠道微生物群和酶促反应在塑料降解过程中的响应机制[11]；比较幼虫对不同类型塑料的降解特性[12],[13]；以及研究昆虫肠道蠕动对塑料降解的促进作用[8]。然而，关于合理处理昆虫粪便中残留塑料的研究和报告仍然不足。

实际上，昆虫粪便中的塑料残留物主要以微塑料的形式存在，这些微塑料比大塑料更具流动性，可以通过食物链传播，最终对动物和人类健康构成风险[14]。例如，小鼠短期接触微塑料会导致肠道炎症，破坏肠道微生物群组成，而Alistipes菌种数量的显著减少与肥胖风险增加有关[15]。此外，喂食含有微塑料的食物的小鼠研究表明，微塑料和纳米塑料可以在消化系统、呼吸系统和泌尿系统中被检测到，并可能通过食物链影响胚胎发育[16]。除了在器官中积累并引发炎症和病理变化外，微塑料还可以吸附病原体和持久性有机污染物（POPs），使其以高于周围环境中的浓度进入动物体内[17]。这些发现表明，虽然昆虫可能提供了一种处理塑料的方法，但正确处理含有塑料的粪便至关重要。考虑到基于昆虫的降解系统的实际可行性，我们假设幼虫可能能够进一步处理粪便中的残留塑料。因此，在本研究中，我们收集了以聚苯乙烯为唯一食物来源的黄粉虫幼虫的粪便，并用它作为新实验组幼虫的食物来源。我们量化了降解前后塑料分子量的变化，并利用综合多组学分析来阐明这一二次降解过程中发生的肠道分子反应。

章节摘录

Z. morio幼虫的来源和材料

直径为一毫米的聚苯乙烯泡沫颗粒购自一家材料批发市场。这些颗粒的重量平均分子量（Mw）为255.3 kDa，数均分子量（Mn）为94.2 kDa。Z. morio幼虫来自广东省阳春市的万利农场。获取的幼虫首先在实验室环境中适应了5天，随后选择体重在0.5至0.6克之间的健康幼虫进行后续分组实验。

不同Z. morio幼虫组之间的生长状态和塑料降解效率差异

在21天的观察期内，喂食小麦麸皮（Br组）、聚苯乙烯泡沫球（PS组）和含有塑料的幼虫粪便（F组）的Z. morio幼虫的存活率没有显著差异（图1A）。这表明塑料、含有塑料的幼虫粪便或小麦麸皮都不会对幼虫造成致命影响。同样，整个实验过程中各组的体重变化也相当（图1B）。为了了解幼虫对塑料的

结论

总体而言，我们的研究结果表明Z. morio幼虫不仅可以降解初级塑料底物，还可以进一步生物转化其排泄物中的残留塑料，从而减少塑料废物管理对环境的影响。值得注意的是，Z. morio幼虫对粪便中残留塑料的再降解效率高于对原始塑料的降解效率，这表明了一种潜在的自我增强降解途径。

环境影响

像Zophobas morio这样的昆虫幼虫可以摄取并消化聚烯烃塑料泡沫。然而，它们粪便中未完全降解的塑料可能会造成二次环境污染。在本研究中，我们证明了Z. morio幼虫能够进一步处理粪便中的残留塑料。此外，我们还阐明了幼虫在降解含有塑料的粪便时所表现出的独特肠道反应

CRediT作者贡献声明

梁聪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目管理，研究设计，资金获取，概念构思。贾云：验证，研究，数据分析，数据管理，概念构思。何仁涛：软件使用，方法学设计，研究，数据管理。丁斌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，资源获取，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

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。