一口“吃掉”塑料

曹捷琳 盧慧儀

人類產生垃圾的速度遠遠超過自然生物降解的速度，其中塑料垃圾不僅污染環境，也開始侵蝕人類的健康。利用人工主導的生物降解方法降解塑料或許是目前解決塑料垃圾問題的方向。

一、研究目的

在同類型的研究性學習中，很多學生都觀察到黃粉蟲有吞食塑料的現象，但僅僅觀察到這種現象還不足以達成利用黃粉蟲降解塑料的目的。如何證明黃粉蟲幼蟲直接取食塑料的現象可達成生物降解塑料的目的？

二、對黃粉蟲取食塑料的現象進行探究及定性分析

1. 實驗目的

目前的研究報告顯示，黃粉蟲對不同材質的塑料均有取食行為，但對不同種類塑料的消化能力各異。我們想通過觀察、研究黃粉蟲吞食塑料的行為，初步檢測其腸道對塑料的降解作用，觀測塑料是否對其具有生理毒害作用。同時，篩查下一步實驗重點研究的塑料種類，確定研究方向。

2. 實驗準備

黃粉蟲幼蟲購自廣州市花鳥市場。飼養數日，選取健康狀態良好的幼蟲備用。

3. 實驗方法

設置對照組 1 個 ， 實驗組 15 個（可降解紅色塑料袋組、可降解白色塑料組、可降解黃色塑料組、可降解紅色塑料組、無色塑料袋、綠色塑料袋、紅色塑料袋、黃色塑料袋、黑色塑料袋、可降解透明飯盒、黃色泡沫飯盒、白色泡沫飯盒、紅色泡沫飯盒、黑色泡沫飯盒、綠色泡沫飯盒）。

將黃粉蟲經過饑餓處理后同時進行 16組平行實驗，實驗前將塑料撕成碎片。通過對各組進行觀測記錄、排泄物分析，對蟲體施加適度的刺激測試其反應能力，測量塑料的消耗量，初步確認黃粉蟲對塑料的吞食取向。

4. 實驗結果分析及討論

通過 3 周的觀察記錄，發現各組塑料的質量呈持續下降趨勢?？山到馑芰辖M、可降解塑料盒、不可降解塑料組的質量下降趨勢較平緩，甚至停滯。且這些組內黃粉蟲的質量增加量并不大，甚至出現體重不變或體重下降的現象。

黑色不可降解塑料組內的黃粉蟲死亡率最高，存活的黃粉蟲生長現象不明顯，且對該種塑料的取食興趣最低。因此，實驗開始 1 周之后出現了組內黃粉蟲互相蠶食的情況，黃粉蟲尸體、蛻皮成為該組存活黃粉蟲的主要食物來源。

與以上 3 組形成明顯對比的是泡沫飯盒組，該組內的塑料消耗量較大，蟲體有明顯的生長現象，但黃粉蟲的死亡率隨塑料的消耗量增加而不斷上升。同類型的研究結果顯示，這種現象并非聚苯乙烯（PS）對黃粉蟲的毒害作用引起。

反應能力測試的結果表明，食用塑料對黃粉蟲的反應能力造成了一定程度的損傷。

很可能是黃粉蟲對不同種類的塑料取食量不同而導致饑餓程度各異，影響了其活動能力。

我們收集了各組的黃粉蟲糞便并將其點燃，發現燃燒過程中有白煙產生，且紅色可降解塑料袋、紅色泡沫飯盒這兩組黃粉蟲的糞便點燃后產生的白煙濃度最高，黑色塑料袋組的黃粉蟲糞便點燃后產生了刺激性氣味。結合黑色塑料組的黃粉蟲同類殘食且行動遲緩的現象進行推測，黃粉蟲對黑色塑料袋的降解效果并不佳。

此外，我們發現塑料顏色不同，黃粉蟲的取食興趣也有所不同。然而，黃粉蟲的生理結構并不能讓其具備辨色能力。因此，顏色不可能影響黃粉蟲的進食取向。

以平均消耗量最大的聚苯乙烯（PS）為例，我們利用無色無味的染色劑將 PS 碎片分別染成紅色、黑色、黃色、綠色，并保留一組 PS 碎片不作染色處理。稱量結果顯示，不同顏色的 PS 消耗量相差較大。在第一周的測量中，紅色的 PS 碎片被消耗得最多。

對糞便進行收集分析時，紅色 PS 碎片組的糞便質量最大，但其中含有白色顆粒物，疑似 PS 小顆粒。排除色彩外，值得考慮的有可能是表示可見光特征的色溫能影響黃粉蟲的進食取向。

三、對黃粉蟲取食塑料與碎塊色溫的相關性分析

1. 實驗背景

在實驗一中，我們將不同顏色的塑料按種類進行分組，以色溫作為同組之間的單一變量，同組之間進行對照觀測。

對比塑料的消耗量、黃粉蟲受到外界刺激時的反應能力等可以發現，黃粉蟲對不同顏色的同種塑料的消耗量相差 0.106g～0.001g不等。

2. 實驗過程

選取 300 條健康且體型幾乎相同的黃粉蟲，將其平分為 6 組。設置 1 組為對照組，其余 5 組分別是紅色碎片、黃色碎片、綠色碎片、黑色碎片、白色碎片。在室溫（27±2）℃、照度為 150～300Lux 的實驗室進行實驗。

實驗持續 10 天，每天稱量組內的碎片，收集碎片消耗量的數據，用制作回歸函數圖像的方式分析色溫與黃粉蟲取食行為是否有關。

3. 實驗結果

如圖 1 所示，向各組黃粉蟲容器中投入 0.30 單位等量且不同顏色的塑料泡沫，實驗結束時，剩余單位塑料含量從高到低依次是黑色塑料泡沫、綠色塑料泡沫、紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

第一天至第五天的過程中，可在宏觀數據上發現單位塑料的減少量處在一個相對較快的下降梯度。隨后，除黃色塑料泡沫發生次日內的大梯度下降，其余塑料泡沫趨于穩定，總體上類似于反比例函數或對數函數。

從單組上看，最后單位塑料泡沫剩余量主要分布在三個區間。在（0.15，0.20] 區間內僅有黑色塑料泡沫分布，在（0.10，0.15]區間內僅有綠色塑料泡沫，在（0.05，0.10]內有紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

我們采用對數回歸法分析該組數據，求出的各類塑料的降解剩余率分別為紅色塑料泡沫26.5%、綠色塑料泡沫34.7%、黃色塑料泡沫16.5%、黑色塑料泡沫 50.3%、白色塑料泡沫 22.7%。對此進行標準方差分析可得，各類塑料的降解剩余率的平均數為 0.3 014，樣本標準偏差為 0.13 056，樣本標準偏差的方差為 0.01 705，樣本標準差的方差值相差不到 10 倍。由此可證明，黃粉蟲消化塑料泡沫的能力與塑料的顏色有關。

我們猜想，黃粉蟲消化塑料的能力以周期形式表現，單位黃粉蟲消耗塑料的能力具有極限值。遺憾的是，由于實驗條件有限，我們沒能在此次探究中具體驗證上述猜想。

四、檢測腸液對塑料的降解作用

1. 實驗目的

通過實驗一“對黃粉蟲取食塑料的現象探究及定性分析”可以發現，聚苯乙烯的消耗量最大，且聚苯乙烯組內的黃粉蟲具有明顯的生長現象。

確認對塑料的消耗量起決定作用的是黃粉蟲腸道內的消化作用與微生物等對各種塑料的降解效果，而不是塑料本身的硬度與各種塑料所含有的氣味等因素對其取食行為產生影響所致。

2. 實驗準備

準備 40g 黃粉蟲作為提取物的原料，進行饑餓處理后，加入 80ml 蒸餾水放入研磨機粉碎。將所得的混合物過濾后倒入試管，放入差速離心機離心 30min。從差速離心機中取出試管，取上層清液。

將不可降解塑料（PE）、聚苯乙烯（PS）、可降解塑料袋（PLA）的碎片分別取0.01g，可降解塑料盒（PP）取 0.1g 加入試管，并設置 5 組平行實驗。向每支試管內加入等量的黃粉蟲腸道提取物，在室溫度（27±2）℃、濕度恒為 40%～50% 的環境下靜置 3 日，隨后取出試管內的塑料，排除腸液水分影響對其進行測評。

3. 實驗結果

對試管內的塑料進行稱重，對比浸泡黃粉蟲提取物前、后塑料的質量。

由圖 2 可見，各類塑料初始質量與經過浸泡后的質量均上漲，呈現出普遍規律。各類塑料在黃粉蟲腸液中浸泡后，其質量受到一定影響，可得出黃粉蟲腸液對各類塑料有生物化學作用。

至于是否因為腸液導致各類塑料的質量增加，我們作出以下猜想：黃粉蟲腸液內某種物質與塑料反應生成新物質，導致黃粉蟲有生長表現。

在“對黃粉蟲取食塑料與碎塊色溫的相關性分析”中，我們得出黃粉蟲是以周期形式消化的猜想，消化周期長，實驗中 3 日內黃粉蟲腸液內某種物質與各類塑料的反應未達到最終形態。（指導老師：謝樹亮）