大蜡螟幼虫降解塑料及可降解塑料的研究进展

王瑛璇 任芳沅 张歆怡

（沈阳师范大学生命科学学院 辽宁沈阳 110034）

随着微信、支付宝支付的不断完善，“互联网+餐饮服务”不断普及，在如此快节奏的社会下，外卖的确给人们的生活带来了便利，尤其是针对“上班族”和“学生党”课程或工作繁多、午休时间不够充足的现实情况，味美价廉的外卖广受他们的青睐。然而，外卖包装多为塑料制品。环保组织“自然大学”在2017年的一项调研显示，饿了么、美团外卖、百度外卖这三大平台的日订单量总和在2000万单左右。据统计，每单外卖平均消耗3.27个一次性塑料餐盒/杯［1］，这意味着外卖每天消耗的餐盒超过6000 万个，日积月累后，更是无法估量，这些塑料垃圾多数无法二次利用，无论是焚烧还是填埋，都会给经济及环境造成不小的压力。近年来，国内外研究已证实大蜡螟幼虫可以降解塑料，且与其肠道菌落密不可分［2］。此外，生物降解塑料现象也广泛存在于生活中，如大米中滋生的米象能轻易啃食咬破塑料米袋、面包虫不能用泡沫箱养、有塑料制品长期堆放的垃圾堆也会有黄粉虫的出现、海洋中的蛀船虫和钻孔蚌能够侵蚀聚乙烯和海底电缆等［3］。

1.1 常见塑料的种类及其应用

随着当今科学技术、生产工艺手段的进步，塑料制品工艺也将在未来不断得到优化。常见的塑料有如下类型。

聚乙烯（PE）：化学性质稳定，耐酸碱盐水溶液的浸泡，因此常用来做食品包装袋和各种容器。

聚氯乙烯（PVC）：软硬度范围更大，由于添加了一些增塑剂、抗老化剂等有毒物质，因此一般不用来储存食品和药品，而用于制作各种管道。

聚苯乙烯（PS）：透光性好，但质脆，常用于灯罩制作、家用餐具托盘等。

聚丙烯（PP）：无毒无味，耐热，耐腐蚀，常用作一次性餐具。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物类（ABS）：具有良好电镀性能，耐热坚固，常用于制作按键、汽车零件、冰箱等。

聚甲醛（POM）：俗称“赛钢”，具有很低的摩擦系数和几何稳定性，常用于生产轴承、齿轮等。

聚酰胺（PA、尼龙）：坚韧耐磨，弹性大，常用作减磨耐磨零件［4］。

1.2 可降解塑料的研究进展

当人们开始意识到塑料的自然降解需要成百上千年之后，科学家开始研究可以缩短降解时间且对环境危害较小的塑料。

首先被发明出的是淀粉改性塑料。这种塑料的生成是在传统的塑料聚合过程中加入淀粉改性物质，但是这种塑料只是将其变为塑料小块片段，不但加大了回收难度，而且仍会对环境造成较大的污染。

其次出现的是光、热降解塑料。它能够在紫外线照射或温度较高的条件下，促进塑料中含有光敏物质的聚合物发挥作用，加速塑料的光热氧化反应过程，使其快速分解，但是它们被光和热的条件所限制，导致塑料的降解速率极其不稳定，效果不明显。

现在发展到了生物降解塑料阶段，生物可降解塑料大约有以下几种：聚羟基烷酸酯（简称PHA）、再生纤维素淀粉塑料、PLA、PBS、PCL、聚乙醇酸、淀粉基塑料。其中，PHA 具备生物可降解性和生物相容性等特点，多用于器官移植、农业用薄膜［5］。近几年，有研究表明，利用厨余垃圾可经过一系列工艺技术合成PHA。聚乳酸（PLA）是目前该领域价格最低、应用范围最广的生物降解塑料。

2.1 大蜡螟的属性特征

大蜡螟（Galleria mellonella）属鳞翅目、螟蛾亚科蜡螟昆虫，其幼虫以蜂巢脾为食，是中华蜜蜂的主要敌害，也被视为农业害虫［6］。但随着科学技术的不断发展，许多研究者发现大蜡螟具有生长发育周期短、食料来源较为广泛、易繁殖，并且其幼虫含有丰富的蛋白质等特点。所以，近年来，人们对它不再局限于防治，而是利用它的优点，使其作为试验昆虫和饲料饵料加工原料等［7］。当大蜡螟作为经济昆虫饲养时，应喂养含蛋白质、氨基酸等必需营养物质较多的饲料，如可以用带有花粉的废弃巢脾用作食料饲养幼虫［8］。

大蜡螟的生长发育周期分为4个阶段，依次是卵、幼虫、蛹、成虫。但只有大蜡螟的幼虫具备啃食塑料的能力。在正常发育情况下，大蜡螟的老熟幼虫体长大约为22mm，头宽大约为2.25mm。幼虫体整体呈乳白色，表皮上分布排列着许多黑色小圆颗粒，头部和前胸背板有明显刚毛，气门环呈黑色，气门孔呈乳白色，额高占头高的80%［9］。幼虫的生长发育周期可持续6个星期至6个月。幼虫时期的食物成分异同和不同发育阶段的时长都会影响成虫个体的颜色和大小。一般雄性个体小于雌性个体［10］。

2.2 大蜡螟幼虫取食塑料的生长发育变化

早在多年前就有研究人员发现“昆虫可以吃塑料”，北京航空航天大学的杨军教授等人发表了2篇证明黄粉虫可降解聚苯乙烯的论文。秦小燕将食塑昆虫印度谷螟（P.interpunctella）作为研究对象，通过高温凝胶渗透色谱法和红外光谱法，分析其粪便，证实其确实有食塑能力，也依赖其肠道中的微生物［11］。在此之后，有许多学者对其进行研究，并从黄粉虫肠道中获取可以降解塑料的菌种。到目前为止，“吃塑料”的昆虫多达14种，大蜡螟幼虫便是其中之一。

发现大蜡螟幼虫能够啃食塑料的是贝尔托基尼和英国剑桥大学的保罗邦贝利科研小组，他们将大约100 只大蜡螟幼虫和一堆塑料袋放在一起，12h 后，研究人员发现这堆塑料袋的数量明显减少了。大蜡螟幼虫能啃食塑料可能由于其幼虫以蜂蜡为食，而蜂蜡的化学结构与PE塑料极其相似，都是由高度多样化的脂质化合物组成［12］。由此可推出，其幼虫可取食塑料并且体内含有可降解塑料的酶或菌群。这些研究对解决塑料污染问题有着重大意义。

唐瑞、林佳倚等研究人员用PE 塑料膜喂养大蜡螟，发现不同比例的微塑料对大蜡螟幼虫的生长发育有着不同影响。当微塑料比例为0%时，幼虫存活率最高在96%左右。在取食塑料占比5%～25%的情况下，微塑料比例升高，幼虫存活率逐渐降低，但趋势不明显，依然可以存活。随着喂塑料的比例增大，幼虫生存率降低，其原因在于PE塑料不能完全作为饲养大蜡螟食料，当营养不足时，会出现细菌感染或自相残杀等情况，幼虫生存率降低［2］。因此，虽然其以塑料为食，但缺少必然的营养物质会使其幼虫存活率大幅度降低。Ekaterina Pererva 在实验中并没有用单一的塑料作为食物来培养大蜡螟幼虫，而是加入麦麸和蜂蜡作为辅助碳源，这样大大延长了幼虫的寿命，提高了存活率［13］。因此可得出，其幼虫虽然可以塑料为食，但如果缺少必要的营养物质，幼虫的死亡率会大幅度上升。

2.3 可降解塑料的大蜡螟幼虫肠道菌

何欢、杨明飞等人对大蜡螟幼虫的肠道可培养细菌的群落结构进行了研究。研究人员利用DNA 序列测序技术，来鉴别分析肠道细菌的种类。他们从幼虫肠道分离并纯化了16 种可培养细菌，其中，芽孢杆菌属9株、肠球菌属4株、葡萄球菌属2株、莫拉菌属1株，以及不动杆菌属1株，在这些菌株中，芽孢杆菌科较其他可培养肠道菌株最具优势［14］。Yang 等人从大蜡螟幼虫的肠道中分离出两株可培养塑料降解菌，分别是Bacillus sp.YP1和Enterobacter asburiae YT1［12］。

李亚飞等人从取食聚乙烯的大蜡螟幼虫的肠道分离出2 种细菌，分别是LYF-1、LYF-2。第一种细菌能够分解线型低密度聚乙烯和低密度聚乙烯。第二种细菌能够分解线型低密度聚乙烯和普通塑料。两种细菌混合使其降解能力增强并且可以分解3种密度的聚乙烯，使其表面出现孔洞裂痕［15］。

Ekaterina Pererva 的研究发现证明了大蜡螟的幼虫取食聚苯乙烯的能力明显比取食聚乙烯的能力弱。研究人员在以蜂蜡或麦麸作为辅助碳源的大蜡螟幼虫肠道中测出具有加大的优势菌种属，分别是Enterococcus、Geobacillus 和Pseudomonas，其中，Geobacillus 和Pseudomonas可能能够降解聚苯乙烯［13］。

胡亚楠等人的实验对象为特有的新疆蜜蜂蜂巢中的土著大蜡螟，他们从幼虫肠道提取出的细菌以PE为唯一碳源进行体外培养，进一步筛选出拥有更高降解能力的菌株。实验数据表明，新疆蜜蜂蜂巢中的土著大蜡螟肠道内提取出来的菌株对PE 的降解效率高于其他生物的分离菌株。由数据可知，Bacillus cereus 和Enterobacterbugandensis具有更高的降解塑料能力［16］。

Zhang 等人从大蜡螟的肠道中分离出可降解高密度聚乙烯的真菌为Aspergillus flavus PEDX3。研究人员将该真菌培养28d 后，发现高密度聚乙烯被降解为分子量较小的MPP，并且利用FT-IR 技术证实了这一现象。该研究还发现了2种PE降解酶［17］。

塑料在人们的生活中无处不在，各种塑料制品已经成为人们生活中不可缺少的一部分。这种高分子化合物化学性质稳定，具有较好的耐磨性、绝缘性、防水性，质量轻容易成型且加工成本较低等，被应用到各行各业。随之而来的便是环境污染加剧，废弃塑料处理大多数也只是选择填埋的方式，而塑料燃烧产生的有毒气体不仅会危害环境，也会影响人体健康，所以解决塑料污染问题迫在眉睫，最重要的还是从源头上进行解决，再利用现代科学技术进行辅助。人们生活水平提高的同时，也意识到塑料污染问题的严重性。在日常生活中，应该对塑料袋重复使用，购买商品时也尽量使用布袋、纸袋或可降解塑料袋。当然，垃圾分类同样重要，应将产生的垃圾进行分类并送到指定地点进行处理，这样既可以提高资源的有效利用率，也可减少垃圾乱堆砌对环境造成污染的现象。有许多研究已经证明一些昆虫可以啃食塑料，它们的部分肠道菌株可以降解塑料，虽然这些还处于初期发展阶段，但相信未来的塑料污染问题可以慢慢得到解决。