黄粉虫取食和消化降解塑料的研究

徐富凯，孙忠芳

（延边大学农学院，吉林 延吉 133000）

塑料废物处理是一个世界性的环境问题，聚乙烯和聚苯乙烯是其中两种难以降解且用途广泛的塑料。根据欧洲塑料工业协会（Plastics Europe）的数据，2015年，全球消耗了3.22 亿t 塑料，其中聚苯乙烯类塑料与聚乙烯类塑料的比例超过半数。聚苯乙烯（Polystyrene，PS）塑料是以苯乙烯单体为原料经聚合反应而形成的，在其分子链碳原子上连有许多的苯基基团，故而聚苯乙烯相对分子质量较高、稳定性较强、耐腐蚀性好，普遍认为微生物无法降解聚苯乙烯类塑料[1]。聚乙烯（Polyethylene，PE）塑料是以乙烯单体为原料聚合而成，是化学惰性最强且最稳定的塑料制品之一。

黄粉虫（Tenebrio molitor Linnaeus）又叫面包虫，在昆虫分类学上隶属于鞘翅目，拟步行虫科，粉甲虫属（拟步行虫属）。黄粉虫是一种全变态类昆虫，其生长周期可分为四个阶段，分别是卵、幼虫、蛹、成虫，一般其经历一个世代的时间为90～100 d[2-3]。黄粉虫幼虫一般长20～25 mm，成虫是黑色甲虫[4]。黄粉虫幼虫在饲料、食品加工、医药以及抗菌蛋白等领域均有广泛应用，此外还可在环保应用中发挥作用，研究表明，黄粉虫幼虫可将环境中的重金属与微量元素富集在其体内，进而适应被重金属污染的环境[5]。中学生陈重光在饲养鸟类时，发现在养黄粉虫幼虫盒子里铺垫的泡沫塑料上有细小的噬咬痕迹。沈叶红等为了研究黄粉虫体内可降解塑料的微生物种类，从黄粉虫肠道中分离出了8 株相关细菌[6]。本研究以黄粉虫的幼虫为试验材料，通过设置不同的处理，对黄粉虫取食和消化降解塑料进行研究，为聚乙烯和聚苯乙烯塑料的生物降解提供良好的理论参照。

1 材料与方法

1.1 材料来源

试验所用黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫于2018年8月购自江苏省徐州市新沂市的粉虫世家养殖基地，试验用虫体长均为15～25 mm。

1.2 黄粉虫的饲养

黄粉虫在室温（25±2）℃的实验室环境下饲养，试验所用幼虫分为三组，分别为对照组、聚苯乙烯组（PS组）和聚乙烯组（PE 组），每组150 条且个体形态差异较小。对照组的黄粉虫幼虫整个试验期间喂食麦麸与菜叶；聚苯乙烯组喂食少量菜叶和聚苯乙烯泡沫塑料块；聚乙烯组喂食少量菜叶和聚乙烯塑料膜。试验用黄粉虫均取同一批次。各个处理的饲养温度、湿度和光照条件相同。试验分组剩余的黄粉虫用作备用虫源，饲养条件与对照组基本相同。5 d 更换1 次饲料并对饲养黄粉虫幼虫的容器进行一次消毒，每天添加少量新鲜的菜叶，用于补充水分，并及时清理黄粉虫蜕掉的皮。

1.3 粪便的收集

每5 d 采用无菌勺和灭菌的标准筛收集新鲜的黄粉虫幼虫粪便一次，冻存在-80℃，试验期间（30 d）共取6 次，待后续试验使用。

1.4 粪便的处理

取少量每次收集的黄粉虫粪便，将其点燃，根据是否出现与塑料燃烧时相似的刺激性气味，判断黄粉虫幼虫对两种塑料的消化降解是否彻底。

1.5 数据记录

每5 d 称量（万分之一电子天平）一次各处理中塑料的减少量，并计算各处理黄粉虫幼虫的死亡数，所有称量数据皆保留到小数点后4 位。每天分三个时间段观察黄粉虫幼虫发育、死亡情况及塑料的分解情况，时间分别是8:00、14:00、20:00，并对观察情况做详细记录。

1.6 塑料降解率的测定

1.6.1 聚苯乙烯降解率的测定每五天取一次聚苯乙烯，观察聚苯乙烯的变化，并用蒸馏水洗涤，烘干称重，计算聚苯乙烯的降解率。实验期间（30 d）计算6 次其降解率，试验结束后，计算聚苯乙烯的总降解率。

式中，M0为聚苯乙烯降解前质量；Mt为聚苯乙烯降解后质量；M1为聚苯乙烯试验前质量。

1.6.2 聚乙烯薄膜降解率的测定每五天取一次聚乙烯塑料薄膜，观察聚乙烯薄膜的变化，并用蒸馏水洗涤，烘干称重，计算聚乙烯的降解率。试验期间（30 d）计算6 次其降解率，试验结束后，计算聚乙烯的总降解率。

式中，M0为聚乙烯降解前质量；Mt为聚乙烯降解后质量；M2为聚乙烯试验前质量。

2 结果与讨论

2.1 黄粉虫对塑料的取食情况

2.1.1 黄粉虫对聚苯乙烯的取食情况

由图1可以看出，聚苯乙烯泡沫塑料在黄粉虫的取食下，表面会出现孔洞，且减重明显，随着时间推移，孔洞逐渐增多、加深，最后大部分聚苯乙烯泡沫塑料被黄粉虫所取食。经计算，聚苯乙烯30 d 的总降解率为99.34%。

2.1.2 黄粉虫对聚乙烯的取食情况

由图2可以看出，在试验的第10 d，塑料薄膜的边缘及中间有被黄粉虫啃食的孔洞，但是孔洞很小；在第20 d，塑料薄膜被啃食的孔洞比第10 d大了一些，同时孔洞数也有所增加；第30 d，塑料薄膜的边缘被啃食的孔洞进一步扩大，薄膜中间也增添了更多的孔洞。经计算，聚乙烯30 d 的总降解率为18.56%。

图1 黄粉虫对聚苯乙烯的取食情况

图2 黄粉虫对聚乙烯的取食情况

2.2 黄粉虫的生长情况和粪便分析

试验期间，3 个处理饲养的黄粉虫均可健康成长，并未出现大量的死亡现象。经计算，对照组黄粉虫试验期间总死亡率为8.0%，聚乙烯组死亡率为10.2%，聚苯乙烯组死亡率为7.4%，饲喂塑料与饲喂麸皮的黄粉虫并无显著性差别。

以聚乙烯塑料薄膜和菜叶为食的黄粉虫的粪便与以聚苯乙烯泡沫塑料和菜叶为食的黄粉虫粪便颜色基本相同，均呈绿棕色，其中聚乙烯组的黄粉虫粪便颜色略深；以麦麸为食的黄粉虫的粪便呈棕黄色。这应该是由于两种塑料的成分与麦麸不同，以及试验中喂食了菜叶，致使黄粉虫的粪便成分存在差异，其颜色也存在差异。

点燃黄粉虫的粪便，发现其燃烧时并未出现塑料燃烧的刺激性气味，因此认为这两种塑料已被黄粉虫幼虫完全降解，但降解后的产物成分，还需进一步研究探讨。

3 结论

本文研究了黄粉虫对聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料薄膜的降解情况。结果表明，无论是聚乙烯还是聚苯乙烯，都能够被黄粉虫所摄食并消化降解。黄粉虫对聚苯乙烯的消化和降解较快，2 块体积为50 cm3的泡沫塑料经30 d，可被消化降解99.34%；黄粉虫对聚乙烯塑料薄膜的消化降解慢于聚苯乙烯，30 d 的降解率达到18.56%。两种塑料喂养的黄粉虫幼虫均可成长，并且其粪便颜色用肉眼观察并无显著差异，均呈绿棕色，只是聚乙烯组的黄粉虫粪便颜色略深；用麦麸饲养的黄粉虫的粪便则呈棕黄色。将两种塑料处理的黄粉虫的粪便分别进行点燃，发现其燃烧时并未出现塑料燃烧的刺激性气味，因此认为这两种塑料已被黄粉虫幼虫完全消化降解，但降解为何种成分需进一步分析研究。

黄粉虫对聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯塑料薄膜的降解都具有良好的效果，体现了利用黄粉虫进行废弃塑料降解这一研究具有广阔的前景。如果可以将黄粉虫降解塑料这一特性充分开发利用，不仅可以更好地解决塑料污染的问题，还可以为黄粉虫提供食物来源，从而变废为宝，获得良好的社会效益、环境效益以及经济效益。