黃粉蟲取食塑料的特征研究

周爾康，單玉昕

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

1 引言

塑料廢物污染是世界環(huán)境難題之一，大部分塑料一次性消費(fèi)后即被丟棄。2015年世界塑料總產(chǎn)量為26900萬t，比2014年增加了900萬 t[1]，其中聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、珍珠棉(EPE)3種通用塑料所占比例超過1/2[2]。聚苯乙烯(PS)是由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物，具有良好的尺寸穩(wěn)定性[3]。聚乙烯(PE)是由乙烯聚合而成的重復(fù)單元聚合物，具有低溫韌性、高模量、抗彎曲和耐應(yīng)力開裂性[4]。珍珠棉(EPE)由低密度聚乙烯脂經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無數(shù)的獨(dú)立氣泡構(gòu)成，有一定堅(jiān)固性。由于塑料具有高分子量和很強(qiáng)的穩(wěn)定性，自然降解法無法進(jìn)行，而目前所用簡單的填埋法、焚燒法和化學(xué)處理法成本較高，且仍對(duì)環(huán)境產(chǎn)生大量破壞[5]，所以，急需一種低成本、無污染的處理方式來解決廢棄塑料問題。

黃粉蟲，屬鞘翅目擬步甲科，原產(chǎn)北美洲，20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)培養(yǎng)，且因干燥的黃粉蟲幼蟲蛋白質(zhì)含量較高，被譽(yù)為“蛋白質(zhì)飼料寶庫”[6]。

陳重光首次觀察到黃粉蟲幼蟲可以嚙食泡沫塑料。沈葉紅通過培養(yǎng)基進(jìn)行了黃粉蟲腸道的分離鑒定，并對(duì)黃粉蟲取食塑料后的生理毒性進(jìn)行了研究。張可等研究了黃粉蟲取食和消化降解聚乙烯塑料的情況。王宏民等研究了溫度對(duì)黃粉蟲體重增加、食物轉(zhuǎn)化率和消化酶活性的影響。

本試驗(yàn)先以同齡期的黃粉蟲幼蟲為材料，用4種不同材質(zhì)的生活常見塑料喂養(yǎng)黃粉蟲，研究了黃粉蟲對(duì)不同塑料的選別性;又分別在不同的溫度條件下對(duì)黃粉蟲采用了相同材料的喂養(yǎng)試驗(yàn)，研究了溫度對(duì)黃粉蟲取食塑料的影響;最后，對(duì)同齡期的黃粉蟲進(jìn)行了喂養(yǎng)，并對(duì)單位蟲重造成的塑料減少量進(jìn)行了分析，為之后黃粉蟲的市場推廣提供了參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料

蟲源：試驗(yàn)所用黃粉蟲幼蟲均購買于遼寧省沈陽市北市場花鳥魚蟲市場(沈陽市和平區(qū)南京北路18號(hào))。在實(shí)驗(yàn)室暗環(huán)境培養(yǎng)條件下飼養(yǎng)，濕度及光照條件等均相同。

塑料：選取4種常用塑料—聚苯乙烯泡沫塑料(PS)、珍珠棉包裝網(wǎng)(EPE)、低密度聚乙烯保鮮膜(PE)、聚乙烯氣泡塑料(PE)。

2.2 實(shí)驗(yàn)所需儀器及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用品清單見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用品清單

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)記錄

2.3.1 黃粉蟲幼蟲對(duì)生活中四種常見塑料的取食情況

挑選相同齡期的黃粉蟲幼蟲750條，隨機(jī)放入15個(gè)500 mL干凈的已滅菌燒杯。試驗(yàn)所用幼蟲分為5組，每組設(shè)3個(gè)平行樣。5組分別為對(duì)照組(麥麩)、塑料1(泡沫塑料)組、塑料2(包裝網(wǎng))組、塑料3(保鮮膜)組、塑料4(氣泡塑料)組。每種塑料各稱取0.200 g×3，依次放入燒杯。分組剩余的黃粉蟲幼蟲用作備用蟲源，飼養(yǎng)條件基本與對(duì)照組相同。每4 d噴灑一次無菌水(每瓶0.5 mL)以補(bǔ)充水分。用紗布包住燒杯口以防止污染。

2.3.2 黃粉蟲夏冬季節(jié)取食塑料速率的對(duì)比情況

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲主要取食聚苯乙烯泡沫塑料(PS)、珍珠棉包裝網(wǎng)(EPE)兩種塑料。后為探究溫度對(duì)黃粉蟲取食速率的影響設(shè)計(jì)第二次實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩次，分別在2018年夏季(7月)與2018年冬季(11月)。控制實(shí)驗(yàn)室平均溫度為當(dāng)季室內(nèi)平均溫度：夏季(25±2)℃、冬季(7±2)℃，試樣進(jìn)行與第一部分基本相似。

2.3.3 黃粉蟲單位蟲重取食聚苯乙烯塑料的情況

隨機(jī)挑取黃粉蟲幼蟲600條，置于6個(gè)500 mL干凈的已滅菌燒杯中。試驗(yàn)所用幼蟲分為2組，分別為對(duì)照組(麥麩)、塑料1組(聚苯乙烯泡沫塑料)，每組設(shè)3個(gè)平行樣。

2.3.4 數(shù)據(jù)記錄

每3 d或4 d，將各種塑料清洗干凈后放入干燥箱中2 h，烘干至恒重后稱量，所有稱量數(shù)據(jù)皆保留到小數(shù)點(diǎn)后三位，計(jì)算塑料減少量。實(shí)驗(yàn)共計(jì)74 d(第一部分32 d，第二部分21 d，第三部分21 d)。

2.3.5 數(shù)據(jù)處理

黃粉蟲取食塑料量=(Ma-Mb)×100%

(1)

(2)

式(1)、(2)中,Ma為黃粉蟲取食后塑料的體質(zhì)量(g)；Mb為黃粉蟲取食前塑料的體質(zhì)量(g)；d為取食的天數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃粉蟲對(duì)塑料的取食情況

黃粉蟲在取食塑料后塑料減少質(zhì)量如圖1所示。在試驗(yàn)中觀察到黃粉蟲對(duì)于塑料的選別性是十分明顯的，相比于保鮮膜(低密度聚乙烯，PE)和氣泡塑料(聚乙烯，PE)，黃粉蟲更傾向于取食泡沫塑料(聚苯乙烯，PS)和包裝網(wǎng)(珍珠棉,PEP)。由圖1可得，黃粉蟲取食塑料速率在7～11 d內(nèi)達(dá)到峰值，之后取食速率變得接近平穩(wěn)。

圖1 黃粉蟲取食4種塑料后塑料的減少量

3.2 溫度對(duì)黃粉蟲取食速率的影響

黃粉蟲在不同溫度下(夏季28 ℃、冬季4 ℃)取食兩種不同塑料(聚苯乙烯泡沫塑料、珍珠棉包裝網(wǎng))后塑料減少質(zhì)量變化如圖2、3所示。顯然，在不同溫度下黃粉蟲都有取食塑料，但夏季平均溫度(28 ℃)明顯比冬季(4 ℃)更適宜于黃粉蟲取食。由圖2(a)、(b)可知，溫度不同的情況下，黃粉蟲取食塑料速率都在7～11 d內(nèi)達(dá)到峰值，其中夏季取食速率明顯高于冬季。

圖2 夏冬黃粉蟲取食后塑料1的減少量

圖3 夏冬黃粉蟲取食后塑料2的減少量

3.3 單位蟲重的黃粉蟲取食塑料情況

室內(nèi)平均溫度為(7±2)℃黃粉蟲單位蟲重取食聚苯乙烯泡沫塑料質(zhì)量如圖3所示。黃粉蟲單位蟲重取食塑料的速率在11～14 d內(nèi)達(dá)到峰值，高達(dá)8 mg/d，且之后取食速率基于平穩(wěn)。

圖4 黃粉蟲單位蟲重取食后塑料的減少量

4 討論

本試驗(yàn)研究了黃粉蟲對(duì)4種通用塑料(泡沫塑料、保鮮膜、包裝網(wǎng)、氣泡塑料)的選別性，發(fā)現(xiàn)黃粉蟲更傾向于取食其中的泡沫塑料(聚苯乙烯，PS)和包裝網(wǎng)(珍珠棉，EPE)。室內(nèi)溫度為28 ℃的夏季與室內(nèi)溫度為7 ℃的冬季為對(duì)照，研究了溫度對(duì)黃粉蟲取食塑料的影響，夏季平均溫度下黃粉蟲取食塑料的速率高于冬季平均溫度下的黃粉蟲取食速率。喂養(yǎng)相同齡期的黃粉蟲，研究了黃粉蟲單位蟲重取食塑料的情況。本實(shí)驗(yàn)只研究了某一特定溫度條件下黃粉蟲單位蟲重取食塑料的最大速率，若能研究不同溫度下黃粉蟲單位蟲重取食塑料的最大速率，則能為實(shí)際生產(chǎn)提供更大的參考價(jià)值。

結(jié)果表明，黃粉蟲對(duì)塑料具有選別性，更偏向于取食聚苯乙烯塑料(PS)和珍珠棉(EPE)；溫度對(duì)黃粉蟲取食塑料影響很大；黃粉蟲單位蟲重取食塑料量大最高可達(dá)8 mg/d，且黃粉蟲不存在自相殘殺的情況，黃粉蟲適合做經(jīng)濟(jì)昆蟲。黃粉蟲對(duì)聚苯乙烯和珍珠棉的降解都有良好的效果，體現(xiàn)出利用黃粉蟲降解塑料具有廣闊前景，有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。