利用黃粉蟲生物降解聚乳酸塑料：一種可持續(xù)的廢棄物資源化利用途徑

彭博宇，陳志彬，陳家斌，周雪飛，吳唯民，張亞雷

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.斯坦福大學(xué)土木與環(huán)境工程系斯坦福大學(xué)Codiga資源回收中心，美國 斯坦福 CA 94305-4020）

譯者：彭博宇；審查：吳唯民；單位：同濟(jì)大學(xué)，斯坦福大學(xué)

1 研究亮點

*黃粉蟲消化聚乳酸塑料在24 d內(nèi)能維持其正常生命活動但需要麥麩支持長期生長；

*紅外光譜、熱裂解分析及物料恒算結(jié)果確證了黃粉蟲能夠生物降解聚乳酸，其攝入的聚乳酸在12～24 h內(nèi)通過腸道后去除率在81.5%以上；

*聚乳酸+麥麩混合飼料（聚乳酸占比20%）喂養(yǎng)的黃粉蟲生物質(zhì)增量最大；

*攝入聚乳酸后，黃粉蟲腸道菌群多樣性下降，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2 背景

聚乳酸是目前產(chǎn)量最大的可生物降解塑料，但在自然條件下降解相對緩慢，其回收利用是亟需解決的問題。黃粉蟲是生產(chǎn)昆蟲蛋白的重要經(jīng)濟(jì)昆蟲，具有降解多種難降解塑料的能力，但迄今未證實其能否降解聚乳酸塑料。本研究旨在明確黃粉蟲生物降解聚乳酸塑料的可行性，探討聚乳酸塑料廢棄物的資源化利用途徑，探索提高黃粉蟲生物質(zhì)產(chǎn)量的聚乳酸添加比例，并研究消化降解聚乳酸對腸道菌群影響。

3 研究方法

將黃粉蟲在7種喂養(yǎng)條件下進(jìn)行24 d飼養(yǎng)實驗：投食聚乳酸微塑料（尺寸＜100μm）、投食聚乳酸+麥麩混合飼料（聚乳酸質(zhì)量占比分別為10%、20%、30%、50%）、投食麥麩與饑餓對照，測定黃粉蟲對不同聚乳酸比例的混合飼料攝食能力和蟲質(zhì)量變化情況。以聚乳酸作為對照，對進(jìn)食聚乳酸后的蟲糞進(jìn)行紅外光譜和熱裂解分析，確認(rèn)攝入消化后聚乳酸是否降解。通過水、乙醇和二氯甲烷的梯度萃取，進(jìn)而確認(rèn)聚乳酸去除率。通過高通量測序分析，比較黃粉蟲進(jìn)食聚乳酸與進(jìn)食麥麩后的腸道菌群差異。

4 主要研究結(jié)果

在投食聚乳酸或聚乳酸+麥麩混合飼料條件下飼養(yǎng)24 d后，黃粉蟲存活率均超過82%，但只投食聚乳酸的黃粉蟲生物質(zhì)增加不明顯。投食聚乳酸占比20%的混合飼料，黃粉蟲生物質(zhì)增量最高（增長33.1%±1.7%），并能降低蟲糞產(chǎn)生量。紅外光譜檢測到官能團(tuán)變化，熱裂解分析發(fā)現(xiàn)不同熱學(xué)性質(zhì)的產(chǎn)物生成，從而證實聚乳酸被生物降解。物料衡算結(jié)果表明至少81.5%攝入的聚乳酸被消化去除。在消化聚乳酸后，腸道微生物組，特別是乳球菌屬和螺原體菌屬細(xì)菌的相對豐度顯著增高。

5 結(jié)論與展望

黃粉蟲能夠快速攝食和生物降解聚乳酸，如需支持黃粉蟲的長期生長和正常發(fā)育，需要添加麥麩作為混合飼料；在聚乳酸占20%的麥麩混合飼料喂養(yǎng)下，可獲得最大的黃粉蟲生物質(zhì)增量；腸道微生物在聚乳酸的生物降解過程中起主導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，作者提出了一種可持續(xù)的聚乳酸廢棄物的處理方法和循環(huán)途徑：①以農(nóng)產(chǎn)品為原料生產(chǎn)聚乳酸塑料；②以回收聚乳酸廢棄物與農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物為飼料生產(chǎn)黃粉蟲生物質(zhì)蛋白；③將黃粉蟲生產(chǎn)過程產(chǎn)生的蟲糞作為土壤改良劑/肥料用于農(nóng)作物生產(chǎn)和聚乳酸原料。