取食聚乙烯微塑料对大蜡螟生长发育的影响

唐瑞 林佳倚 劳乔斌

摘 要：为研究取食聚乙烯（PE）微塑料对大蜡螟生长发育的影响，以期获得大蜡螟能够最大程度降解塑料的比例，分别用含PE微塑料5%、10%、15%、20%、25%的饲料饲喂同一龄期的大蜡螟幼虫，对比其幼虫期、存活率、幼虫存活率、蛹期、蛹重、雄雌比、蛹存活率以及CarE酶和GTS酶活性;另设置PE塑料膜直接饲喂大蜡螟试验，探究大蜡螟幼虫对塑料膜的取食率以及取食PE塑料膜对幼虫存活率和蛹重的影响。结果显示：大蜡螟幼虫的存活率随着微塑料比例增加呈不同程度的降低，且幼虫发育历期显著延长，蛹存活率、蛹重显著降低，而蛹期差异不显著;GTS酶活性显著升高，CarE酶活性有所升高但差异不显著;完全饲喂PE塑料膜，大蜡螟幼虫平均取食率为18.47%，幼虫期延长6d且蛹重下降明显。由此可见，饲料中的微塑料含量对大蜡螟发育历期、蛹重和解毒酶活性具有显著影响，大蜡螟能取食塑料且在10%塑料混合饲喂下生长发育受到的影响较小，这为以虫降解塑料提供了应用基础。

关键词：大蜡螟;聚乙烯塑料（PE）;资源昆虫;塑料降解

Abstract： To study the effect of eating polyethylene （PE） microplastics on the growth and development of large Galleria mellonella， and expect to obtain the proportion of Galleria mellonella that can degrade plastic to the greatest extent，the Galleria mellonella larvae were fed with 5%， 10%， 15%， 20% and 25% PE microplastics respectively，and the survival rate， larval survival rate， pupal stage， pupal weight， male female ratio， pupal survival rate， and the activities of care and GTS enzymes were compared. In addition， the experiment of feeding Galleria mellonella with PE plastic film directly was set up to explore the feeding rate of Galleria mellonella larvae on plastic film， survival rate and pupal weight. The results showed that the survival rate of mellonella larvae decreased with the increase of the proportion of micro plastics， and the larval development period increased significantly， the pupal survival rate and pupal weight decreased significantly， but the difference was not significant; the GTS enzyme activity increased significantly， the care enzyme activity increased， but the difference was not significant; the average feeding rate of PE plastic film was 18.47%， the larval stage was prolonged for 6 days， and the pupal weight decreased significantly. The content of microplastics had a significant effect on the development duration， pupa weight and detoxification enzyme activity of Galleria mellonella. Galleria mellonella could feed on plastic and was fed with 10% plastic mixture， which had little effect on its growth and development， which provided a basis for the application of insect degradable plastics.

Key words： Galleria mellonella; Polyethylene plastic （PE）; Resource insects; Degradation of plastics

大蠟螟（Galleria mellonella）属鳞翅目螟蛾科蜡螟属昆虫，其幼虫取食蜜蜂巢脾、蛀坏蜂具，是养蜂业的重要害虫。近年来，研究发现大蜡螟不仅自身蛋白质含量丰富，而且具有生长周期短、食料来源丰富、易于繁殖以及可食用和饲用等优点，更重要的是其在医学、药学、生理学、农学等学科领域发挥着不可替代的作用[1]。近年来大蜡螟幼虫降解塑料的功能得到广泛关注，并且这一功能也得到了证实[2]。目前发现可以啃食塑料的昆虫还有很多，而关于昆虫降解塑料的机理，普遍认为与其肠道细菌的作用密不可分，如分别从能够取食塑料的黄粉虫和印度谷螟肠道内分离得到能够降解聚苯乙烯和聚乙烯的细菌菌株[3]，从大蜡螟肠道中分离出2 株细菌在实验室环境中能够生长并分解聚乙烯塑料[4]。这些研究说明利用昆虫降解塑料的理论可行性。

利用昆虫降解塑料不仅可以解决塑料的污染问题，还能将塑料转变为昆虫自身蛋白，达到变废为宝、资源再利用的目的[5]。相对于其他食塑料昆虫而言，大蜡螟具有发育历期短、食量大、易饲养等特点。目前针对大蜡螟降解塑料的研究仅停留在少量实验对其降解性的研究[2]，国内外对大蜡螟降解塑料的特性研究均较少，且取食塑料对大蜡螟生长发育相关参数是否存在影响还未见报道。基于此，笔者通过比较饲喂不同比例微塑料后大蜡螟幼虫、蛹等发育参数、解毒酶活性等，以期探索大蜡螟降解塑料的能力。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试虫和试剂 大蜡螟（广东海洋大学实验室喂养）。聚乙烯（PE）微塑料（迈森生物科技有限公司），PE塑料保鲜袋，大蜡螟饲料[6]（麸皮60g、面粉60g、玉米粉60g、酵母粉30g、奶粉50g、蜂蜜50g、甘油50mL），羧酸脂酶（CarE）、谷胱甘肽-S-转移酶（GTS）活性试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）。

1.1.2 主要仪器 恒温光照培养箱，千分之一天平，养虫盒（15cm×10cm×8.5cm，1000mL圆形塑料盒），解剖镜，低温离心机（国药集团中科器深圳有限公司），超低温冰箱，分光光度计（中科器进出口深圳有限公司）。

1.2 试验设计 试验共设6个处理，即聚乙烯（PE）微塑料添加比例分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%。每处理各30 头，所有试虫均为2龄（约3mm）[7]幼虫。各处理大蜡螟均在25℃的恒温培养箱中饲养。每5d更换1次饲料并对饲养大蜡螟的养虫盒进行1次清扫。每天观察并统计存活数直至化蛹或羽化，及时清除死亡虫体，蛹单独称重并使用解剖镜鉴定[8]，记录其性别。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 幼虫体内解毒酶活性测定 为探究取食微塑料后大蜡螟体内解毒酶活性的变化情况，进行了羧酸酯酶（CarE）和谷胱甘肽-S-转移酶（GST）活性测定。选取各饲喂处理的老熟幼虫（约8龄）[7]各3头，单独称重后保存于-80℃超低温冰箱。检测前取出虫体并在4℃冰浴中加入酶活性试剂研磨成液体，按照酶活性试剂盒说明进行测定。

1.3.2 大蜡螟对塑料膜的取食率测定 为较直观地观察到塑料膜质量变化，以体长1cm（约6龄）[7]的大蜡螟幼虫为试虫，全部喂食PE保鲜袋，20头为1组，共3组，以正常饲料饲喂的大蜡螟初孵幼虫作为对照。饲喂前及饲喂后每4d称量各组塑料袋的质量，直至塑料袋质量不再变化，记录期间幼虫存活率及蛹重。

1.4 数据处理 利用 Excel 2016 记录和整理数据，运用SPSS 19进行方差分析。采用Dunce比较法比较取食不同比例微塑料与人工饲料混合物的大蜡螟幼虫平均发育历期、幼虫存活率、蛹期、平均蛹重的差异显著性，百分率数据方差分析之前进行反正弦平方根转换。采用EXCEL软件对取食不同比例微塑料与人工饲料混合物的的羧酸酯酶与谷胱甘肽S-转移酶的活性进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同比例微塑料对大蜡螟幼虫生长发育的影响 由表1可知，在不同比例微塑料饲喂下，大蜡螟均能完成正常生长发育，且随着微塑料含量的增加，大蜡螟发育历期呈延长趋势，且不同比例对大蜡螟生长发育影响显著（P<0.05）;饲喂微塑料后大蜡螟的幼虫存活率均低于对照，其中微塑料含量为20%时大蜡螟幼虫存活率最低，但总体而言微塑料对幼虫存活率影响不显著（P=0.477）。

2.2 不同比例微塑料對大蜡螟蛹发育的影响 由表2可知，与对照相比，不同比例微塑料饲喂下大蜡螟的蛹期均有不同程度缩短，其中5%组的蛹期最短，但总体而言各处理差异不显著（P=0.276）;随着微塑料比例的增加，各处理的平均蛹重均有不同程度下降，其中25%组大蜡螟蛹重最小，且与其他处理间差异显著（P<0.05）;对照组和10%组的雄雌比都接近1∶1，而其他组的差异较大，均为雄性蛹较多;10%组大蜡螟的蛹存活率与对照组相近，25%组的蛹存活率最低（55.5%），其余组蛹存活率均明显低于对照组。

2.3 不同比例微塑料对大蜡螟幼虫体内解毒酶活性的影响 由图1、2可知，取食添加了微塑料的饲料后，大蜡螟幼虫体内谷胱甘肽S-转移酶（GTS）活性显著提高（P<0.05），其中10%组时GTS酶活性最高，显著高于15%、5%和对照组，但羧酸酯酶（CarE）活性增加不显著（P=0.205）。由此可见，大蜡螟体内GTS酶活性受到微塑料影响显著，而CarE酶活性受微塑料影响不显著。

2.4 大蜡螟对塑料膜的取食作用 由图3可知，大蜡螟取食PE塑料膜，在饲喂16d直至塑料膜质量不再减少的过程中，塑料膜平均总质量减少0.198g，最高总取食率达到25.51%，平均总取食率也达到18.47%，说明大蜡螟对PE塑料膜的取食率良好;同时，大蜡螟的存活率随着取食塑料膜天数的增加而降低，并在第20天全部化蛹，幼虫期延长了6d，说明以PE塑料膜作为唯一食料减缓了大蜡螟的发育进度。

大蜡螟幼虫取食PE塑料膜后留下大小不等的空洞（图4），并且在蛹期蛹的大小差异明显（图5），同一龄期开始饲喂的大蜡螟幼虫，正常饲料饲喂下平均蛹重为0.24± 0.058g，而取食塑料膜后则为0.15±0.046g，下降较明显。通过点燃大蜡螟的粪便，发现其燃烧时并未产生刺激性气味，因此初步认为大蜡螟幼虫完全降解所食的PE塑料，但降解后的产物成分还需进一步研究。<＼＼Zaondvkp3mo4vvb＼共享＼2020年农学通报＼农学通报2020-23期＼5693-4.tif>

3 结论与讨论

试验结果表明：在取食5%～25%微塑料条件下，大蜡螟均能完成正常生长发育，且随着饲喂塑料比例的增大，大蜡螟幼虫发育历期呈延长趋势但差异较小，幼虫存活率也呈较明显的降低趋势。究其原因可能在于：（1）营养不足。PE塑料作为非常规食物能在一定程度上维持大蜡螟生长，但并不能为大蜡螟提供充足且全面的营养成分;（2）细菌感染。大蜡螟由于没有获得充足的营养导致体质较弱，容易受到细菌感染变黑死亡;（3）自相残杀。由于没有足够的营养，大蜡螟会出现自相残杀的现象。这与许诗杰等[3]在研究黄粉虫取食塑料后的生命特征时得出的原因相近。

在幼虫存活率、蛹期、蛹重、雄雌比、蛹存活率以及酶活性方面，可以明显观察到随着取食PE塑料比例的增加，大蜡螟受到的影响呈增加趋势，但从试验结果看，10%组受到的影响相对小于其他组，与对照组相近。据报道，除了大蜡螟，能够取食塑料的昆虫还有黄粉虫、大麦虫、赤拟谷盗等，黄粉虫的最适饲料比为泡沫∶麸皮=1∶6，即当饲料中添加14.28%泡沫时黄粉虫的生长状况以及对泡沫的降解作用最优 [9]，这与本试验大蜡螟最适塑料比例相近，但由于本试验所配置的饲料不同，可能导致数据结果稍有差异。这说明10%的塑料比例与饲料混合饲喂时，大蜡螟能够最大程度降解塑料，同时又可保证自身正常生长发育繁殖，而其体内受到的其他生理影响以及具体塑料降解率还需后续试验进一步探明。

相较于正常饲喂的大蜡螟幼虫，取食塑料薄膜的大蜡螟幼虫发育历期延长、蛹重下降，造成其发育不良的原因可能与单一取食PE塑料而无其他营养来源有关，为此后续试验应研究能够满足大蜡螟正常生长发育的混合饲料。本试验研究了大蜡螟对PE塑料膜的取食速率但未探究大蜡螟对PE塑料的降解率，即取食塑料的量和体内残留的量，为此还需设计新型饲料和改进饲喂模式来探究大蜡螟对PE塑料的降解率。

参考文献

[1]刘奇志，田里，蒲恒浒.大蜡螟作为试验昆虫资源的利用现状[J].昆虫知识，2009，46（3）：485-489.

[2]Paolo Bombelli，Christopher J. Howe，Federica Bertocchini. Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella[J]. Current Biology，2017，27（8）：292-293.

[3]許诗杰，张雅林.取食塑料的黄粉虫生命特征研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2018，46（7）：102-108.

[4]何欢，杨明飞，杨美华，等.塑料饲养大蜡螟幼虫肠道可培养细菌多样性[J].微生物学通报，2019，46（3）：577-586.

[5]张可，胡芮绮，蔡珉敏，等.黄粉虫取食和消化降解PE塑料薄膜的研究[J].化学与生物工程，2017，34（4）：47-49.

[6]刘位芬，梁铖，宋文菲，等.一种易于实验室批量繁殖大蜡螟的方法[J].中国蜂业，2016，67（6）：34-35.

[7]周永富，罗岳雄，陈华生，等.大蜡螟个体生物学研究[J].昆虫天敌，1988（4）：182-186.

[8]杨爽，刘位芬，梁铖，等.蜂群中大蜡螟蛹及成虫雌雄的鉴别方法[J].蜜蜂杂志，2017，37（3）：8-10.

[9]徐世才，唐婷，闫宏，等.黄粉虫在不同饲料比例下的泡沫降解率研究[J].环境昆虫学报，2013，35（1）：90-94.

（责编：徐世红）