黃粉蟲(chóng)取食和消化降解PE塑料薄膜的研究

張 可，胡芮綺，蔡珉敏，鄭龍玉，喻子牛，張吉斌

(農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 微生物農(nóng)藥國(guó)家工程研究中心，湖北 武漢 430070)

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黃粉蟲(chóng)取食和消化降解PE塑料薄膜的研究

張 可，胡芮綺，蔡珉敏，鄭龍玉，喻子牛，張吉斌*

(農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 微生物農(nóng)藥國(guó)家工程研究中心，湖北 武漢 430070)

為探索黃粉蟲(chóng)能否取食和消化降解聚乙烯(PE)塑料薄膜，分別用塑料薄膜A(30%淀粉、70%PE和助劑)、塑料薄膜B(95%以上PE和少量助劑)作為黃粉蟲(chóng)的唯一食物來(lái)源飼養(yǎng)黃粉蟲(chóng)。結(jié)果表明：黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜A、塑料薄膜B都能夠取食和完全消化降解。黃粉蟲(chóng)對(duì)含淀粉的塑料薄膜A的消化降解較快，25 d可將30.25 cm2塑料薄膜A完全消化降解；黃粉蟲(chóng)對(duì)不含淀粉的塑料薄膜B的消化降解較慢，需要60 d才基本消化降解。黃粉蟲(chóng)消化降解2種塑料薄膜后的排泄物為黑褐色物質(zhì)，燃燒時(shí)無(wú)刺激性氣味，表明黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜進(jìn)行了徹底的消化降解，但降解為何種成分需進(jìn)一步探討。

黃粉蟲(chóng)；降解；PE塑料薄膜

目前，全球合成塑料薄膜用量每年高達(dá)2.99×108t[1]，這些白色污染物很難降解，已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[2-5]，生物降解合成塑料薄膜也因此成為研究熱點(diǎn)。研究人員給幾種土壤無(wú)脊椎動(dòng)物(如蚯蚓、千足蟲(chóng)、蛞蝓和蝸牛等)飼喂14C標(biāo)記的聚苯乙烯(PS)研究它們是否能夠降解PS，結(jié)果在為期2周的實(shí)驗(yàn)中并未檢測(cè)到14CO2，表明這些動(dòng)物對(duì)PS塑料沒(méi)有降解作用[6]。研究顯示[7-9]，一些有害昆蟲(chóng)能夠咀嚼和取食塑料包裝，包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)制造的塑料包裝袋，但是否能消化降解塑料知之甚少。有研究者發(fā)現(xiàn)[10-11]，印度谷螟幼蟲(chóng)可以降解PE塑料薄膜，并且從其腸道內(nèi)分離出2株可以降解PE的菌：阿氏腸桿菌YT1(Enterobacter asburiaeYT1)和芽孢桿菌YP1(Bacillussp.YP1)。

黃粉蟲(chóng)(Tenebrio molitorL.)， 又稱(chēng)黃粉甲、面包蟲(chóng)， 屬鞘翅目擬步甲殼粉甲屬，是一種倉(cāng)庫(kù)害蟲(chóng)。黃粉蟲(chóng)含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素和有益微量元素，且蛋白含量、脂肪含量及脂肪中不飽和脂肪酸含量都很高， 氨基酸組分合理，被廣泛應(yīng)用于飼料、食品、保健品、化妝品等領(lǐng)域，如：作為特種畜禽的鮮活餌料[12]和蛋白質(zhì)飼料添加劑；作為優(yōu)良動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)保健品；作為高蛋白、幾丁質(zhì)的提取原料；作為昆蟲(chóng)的飼料原料；作為蝎子、牛蛙等經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的飼料；作為食用昆蟲(chóng)，制成復(fù)合氨基酸食品、飲料和藥品等[13]。

研究發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲(chóng)可以利用PS塑料泡沫作為唯一食物，并且證實(shí)了PS的礦化確實(shí)是發(fā)生在黃粉蟲(chóng)的腸道內(nèi)；黃粉蟲(chóng)將礦化的PS一部分以CO2形式排出體外，另一部分轉(zhuǎn)化為自身需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[10-11，14]。但關(guān)于黃粉蟲(chóng)消化降解PE塑料薄膜還未見(jiàn)報(bào)道，作者在此以PE塑料薄膜為黃粉蟲(chóng)唯一食物，旨在探索黃粉蟲(chóng)是否可以消化降解PE塑料薄膜，解決PE塑料薄膜的環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)其資源化利用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

黃粉蟲(chóng)，農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)。

塑料薄膜A(30%淀粉、70%PE和助劑)、塑料薄膜B(95%以上PE和少量助劑)，5.5 cm×5.5 cm，華麗環(huán)保科技有限公司。

1.2 方法

挑選處于同階段的大小相同的黃粉蟲(chóng)100頭，分別放置在2個(gè)小紅桶中，每桶50頭。剪取30.25 cm2(5.5 cm×5.5 cm)的塑料薄膜A和塑料薄膜B各1塊，放在小紅桶中作為黃粉蟲(chóng)的唯一食物。每天觀察塑料薄膜被黃粉蟲(chóng)取食情況，并拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜的取食情況(圖1)

圖1 黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜的取食情況Fig.1 Feeding of plastic film by yellow meal worms

由圖1可以看出：(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第2 d就可以看到塑料薄膜B的邊緣有被黃粉蟲(chóng)啃食的缺口，但是缺口很小；塑料薄膜A的邊緣及中間被黃粉蟲(chóng)啃食，且啃食的缺口明顯比塑料薄膜B的缺口大很多。(2)第8 d，塑料薄膜B的邊緣被啃食的缺口比第2 d大了許多；塑料薄膜A已被黃粉蟲(chóng)啃食的支離破碎，其取食進(jìn)度比塑料薄膜B明顯快很多。(3)第16 d，塑料薄膜B的邊緣被啃食的缺口進(jìn)一步擴(kuò)大，薄膜中間也增添了一些缺口；塑料薄膜A的碎片比第8 d時(shí)減少了很多，其取食進(jìn)度比塑料薄膜B明顯快很多。(4)第20 d，塑料薄膜B的邊緣缺口比第16 d時(shí)多了很多，且中間的缺口也變大了很多；塑料薄膜A的碎片比第16 d時(shí)更少了。(5)第25 d，塑料薄膜A基本被完全啃食，只剩下一點(diǎn)零星碎片；而塑料薄膜B在第60 d時(shí)才基本被完全啃食，只剩下一點(diǎn)碎渣。

2.2 黃粉蟲(chóng)的生長(zhǎng)情況和排泄物分析

用2種PE塑料薄膜飼養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)可健康成長(zhǎng)，并未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，與用麩皮飼養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)并無(wú)顯著性差別。黃粉蟲(chóng)的排泄物照片見(jiàn)圖2。

由圖2可知，以塑料薄膜A與塑料薄膜B為食的黃粉蟲(chóng)的排泄物顏色基本相同，呈黑褐色(圖2a、b)；以麩皮為食的黃粉蟲(chóng)的排泄物呈黃褐色(圖2c)。這可能是由于，塑料薄膜與麩皮的成分不同，導(dǎo)致黃粉蟲(chóng)排泄物的成分不同，因而顏色有所區(qū)別。

a.取食塑料薄膜A b.取食塑料薄膜B c.取食麩皮圖2 黃粉蟲(chóng)的排泄物Fig.2 The excreta of yellow meal worms

將黃粉蟲(chóng)排泄物燃燒，發(fā)現(xiàn)并無(wú)塑料薄膜燃燒時(shí)的刺激味出現(xiàn)， 故認(rèn)為黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜進(jìn)行了徹底的消化降解，但降解為何種成分需進(jìn)一步分析研究。

3 結(jié)論

研究了黃粉蟲(chóng)對(duì)PE塑料薄膜(含淀粉的塑料薄膜A和不含淀粉的塑料薄膜B)的降解情況。結(jié)果表明，黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜A、塑料薄膜B都能夠取食和完全消化降解。黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜A的消化降解較快，25 d可將30.25 cm2塑料薄膜A完全消化降解；黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜B的消化降解較慢，需要60 d才基本消化降解。取食塑料薄膜A和塑料薄膜B的黃粉蟲(chóng)能健康成長(zhǎng)，排泄物顏色用肉眼觀察并無(wú)顯著差異；用麩皮飼養(yǎng)的黃粉蟲(chóng)的排泄物顏色為黃褐色，可能是塑料薄膜中的成分不同于麩皮中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所致。將僅以塑料薄膜A和塑料薄膜B為食的黃粉蟲(chóng)的排泄物進(jìn)行燃燒，并無(wú)塑料薄膜燃燒時(shí)的刺激味出現(xiàn)，故認(rèn)為黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜進(jìn)行了徹底的消化降解，但降解為何種成分需進(jìn)一步檢測(cè)分析。

黃粉蟲(chóng)對(duì)含淀粉的塑料薄膜A和不含淀粉的塑料薄膜B都具有良好的降解作用，表現(xiàn)出黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料薄膜降解的巨大潛力。不僅可以解決塑料薄膜的污染問(wèn)題，同時(shí)可將塑料薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)辄S粉蟲(chóng)自身蛋白，達(dá)到變廢為寶、資源化利用的目的。

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Degradation of Plastic Film Containing Polyethylene(PE) by Yellow Meal Worms

ZHANG Ke,HU Rui-qi,CAI Min-min,ZHENG Long-yu,YU Zi-niu,ZHANG Ji-bin*

(StateKeyLaboratoryofAgriculturalMicrobiology,CollegeofLifeScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,NationalEngineeringResearchCenterofMicrobialPesticides,Wuhan430070,China)

Inordertoinvestigatethedegradationofplasticfilmcontainingpolyethylene(PE)byyellowmealworms,plasticfilmA(30%starch,70%PEandadditives)andplasticfilmB(morethan95%PE,asmallamountofadditives)wereusedasthesolefoodsourceforyellowmealworms.Resultsshowedthat,yellowmealwormscouldfeedplasticfilmAandplasticfilmB,anddigestthemcompletely.YellowmealwormscoulddigestanddegradeplasticfilmAcontainingstarchfaster,and30.25cm2plasticfilmAcouldbedigestedanddegradedcompletelybyyellowmealwormsin25d,whileplasticfilmBneeded60d.Theexcretaofyellowmealwormsfeedabovetwokindsofplasticfilmswasdarkbrownandhadnopungentsmellwhileburning,whichshowedthattwokindsofplasticfilmsweredigestedanddegradedcompletelybyyellowmealworms,butwhatwasthedegradationproductshouldbefurtherexplored.

yellowmealworm;degradation;plasticfilmcontainingpolyethylene

2016-11-25

張可(1990-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，研究方向：生物工程，E-mail:1144527030@qq.com；通訊作者：張吉斌，教授，E-mail:zhangjb05@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.011

Q966 TQ320.721

A

1672-5425(2017)04-0047-03

張可，胡芮綺，蔡珉敏，等.黃粉蟲(chóng)取食和消化降解PE塑料薄膜的研究[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(4)：47-49.