昆蟲體內(nèi)聚乙烯降解研究簡介*

王魚名，李強文，羅 濤，張 宏

(西北民族大學化工學院 甘肅省高校環(huán)境友好復合材料及生物質(zhì)利用省級重點實驗室，甘肅 蘭州 730124)

聚乙烯(PE)由于具有高度穩(wěn)定的C—C和C—H共價鍵，使其在自然條件下具有良好的機械性能與化學穩(wěn)定性，難以在自然條件下降解[1-2]。研究表明[3-8]，某些昆蟲取食PE并有著一定的降解作用，而其中以黃粉蟲(Tenebrio molitor)為代表的一類昆蟲，對惡劣環(huán)境適應能力強[9]，可用其處理以聚乙烯為代表的塑料廢棄物。

1 實驗材料

1.1 降解聚乙烯昆蟲的種類及來源

昆蟲對塑料的降解逐漸成為研究熱點，目前降解聚乙烯的昆蟲主要為大蠟螟(Galleria mellonella)和黃粉蟲，以大蠟螟居多。詳見表 1。

表1 降解聚乙烯昆蟲種類及其來源詳細

1.2 聚乙烯材料

昆蟲體內(nèi)聚乙烯降解相關(guān)研究所使用的聚乙烯材料，見表 2。

表2 降解實驗聚乙烯材料使用詳細

2 分離純化菌種

2.1 菌種分離純化基本思路

從昆蟲腸道中分離出有聚乙烯降解效能的菌種，與其它分離菌種的基本操作步驟有所差別。

昆蟲腸道中菌種分離的基本思路。第一,對實驗昆蟲要進行48 h的饑餓處理。饑餓處理的目的就是使腸道內(nèi)容物對后續(xù)菌種分離的影響降低到最小。第二，蟲體表面的消毒。蟲體長期暴露在空氣中，表面沾染了大量空氣中存在的菌種，消毒操作可最大限度的降低蟲體表面菌種對后續(xù)腸道菌種分離的影響。第三，腸道液的獲取。這是獲得腸道菌液的步驟，此步驟之后才能進行菌種培養(yǎng)操作。第四，富集培養(yǎng)。富集培養(yǎng)所要達到的目的是分離昆蟲腸道存在的菌種，所使用的培養(yǎng)基為全營養(yǎng)培養(yǎng)基。第五，馴化培養(yǎng)。某些研究人員也稱之為篩選培養(yǎng)。馴化培養(yǎng)的目的就是分離對聚乙烯有降解作用的菌種，所使用的培養(yǎng)基以聚乙烯為唯一碳源。

在消毒滅菌階段：胡亞楠等人[3]在蟲體表面消毒滅菌階段使用的是乙醚溶液、0.1%的升汞溶液、無水乙醇和無菌水；劉亞飛[6]則使用的是無菌水和75%的乙醇溶液。在腸道液獲取階段，都是通過基本的解剖實驗操作獲得腸道后，在研缽中充分研磨得腸道液[3，6]。在富集馴化培養(yǎng)階段：胡亞楠等人[3]是先通過全營養(yǎng)培養(yǎng)基來富集腸道液中的菌種，再以聚乙烯為唯一有機碳源的培養(yǎng)基來篩選(馴化)能夠降解聚乙烯的菌種；而劉亞飛[6]則是先通過以聚乙烯為唯一有機碳源的培養(yǎng)基來篩選(馴化)能夠降解聚乙烯的菌種，之后再以全營養(yǎng)培養(yǎng)基來富集篩選出能夠以聚乙烯為唯一碳源的菌種。

2.2 菌種鑒定

2.2.1 菌落形態(tài)觀察及生理生化鑒定

主要參考《常見細菌系統(tǒng)鑒定手冊》[10]。對具有聚乙烯降解能力的菌落進行菌落特征、革蘭氏染色和菌體細胞形態(tài)等方面的鑒定與表征，同時測定某些常見的生理生化特性[3，6]。

2.2.2 基因測序與系統(tǒng)發(fā)育分析

根據(jù)胡亞楠等人[3]及劉亞飛[6]的相關(guān)研究，測序及發(fā)育分析的基本思路為：DNA提取、PCR擴增、電泳檢測、測序、核苷酸同源性比對與構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

3 聚乙烯評價表征方法

評價聚乙烯的降解效果是聚乙烯降解實驗的重要一步。根據(jù)各種各類表征的方式的原理，可大致將聚乙烯的評價表征方法分為宏觀表征和微觀表征。其中宏觀表征包括失重率的計算、力學性能的測定、聚乙烯顆粒在培養(yǎng)液中的位置、測量OD值和燃燒實驗；微觀表征則包含了掃描電子顯微鏡、傅里葉紅外光譜儀。

胡亞楠等人[3]采用了失重率、掃描電鏡、紅外光譜儀和力學性能測定來表征聚乙烯的降解效能。其中失重率為菌種處理前后聚乙烯質(zhì)量差占處理前聚乙烯質(zhì)量的百分比[11]，體現(xiàn)的是宏觀質(zhì)量的變化；掃描電鏡的使用對象為聚乙烯膜片，體現(xiàn)的是聚乙烯膜片表面微觀形貌的變化；傅里葉紅外光譜儀能夠體現(xiàn)出微觀層面聚乙烯材料表面官能團的變化；力學性能則是通過萬能試驗機測定，此表征項目從宏觀方向體現(xiàn)了聚乙烯材料經(jīng)過菌種降解作用后的劣化程度。

劉亞飛[6]研究的降解實驗，表征項目包括了聚乙烯顆粒的狀態(tài)、測量OD值、掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜；聚乙烯顆粒的狀態(tài)指的就是聚乙烯顆粒在液體培養(yǎng)基中是漂浮還是懸浮，利用的是降解作用之后聚乙烯平均密度的變化；OD值測量就是吸光度的測定，所展現(xiàn)的是菌種濃度的變化，但OD值的準確測定需要繪制菌種濃度的標準曲線和保證菌液的均一分散。

Ekaterina Pererva[5]也采用了傅里葉紅外光譜用來表征官能團的變化，但不同的是此項研究紅外表征的對象是未經(jīng)降解作用的聚乙烯材料和昆蟲蟲體的糞便，展現(xiàn)的是聚乙烯材料經(jīng)過蟲體腸道一輪之后所發(fā)生的變化。

張可等人[8]用最簡單的燃燒實驗也展現(xiàn)了降解作用前后聚乙烯材料所發(fā)生的變化，具體步驟如下：使蟲體糞便充分燃燒，并無聚乙烯材料燃燒時明顯的刺激氣味出現(xiàn)，以此判定聚乙烯材料發(fā)生了某種變化，但降解過程和降解產(chǎn)物仍需要進一步的分析研究。

4 聚乙烯降解效能

聚乙烯降解效能是進行生物降解實驗所要追求的目標。

胡亞楠等人[3]研究：經(jīng)過30 d的降解作用；聚乙烯材料的平均失重率為6.37%；膜體聚乙烯材料表面粗糙不平，出現(xiàn)孔洞和裂痕，而對照組則光滑平整； 碳氫伸縮振動吸收峰出現(xiàn)削弱；與對照相比，聚乙烯膜片拉升強度、斷裂伸長率和彈性模量等力學性能指標明顯下降。

劉亞飛[6]的研究：針對聚乙烯微粒的實驗，使用液體培養(yǎng)基；實驗開始時，聚乙烯微粒體積的1/3～1/2在液面以下；降解實驗30 d之后，聚乙烯微粒全部體積在液面以下。以聚乙烯膜體材料為降解實驗對象；對照組光滑整齊無異樣，降解作用之后不同的聚乙烯材料分別出現(xiàn)了絮狀凹凸、圓形凹凸、星射線狀褶皺和孔洞；普通塑料保鮮袋出現(xiàn)了不飽和碳的碳氫鍵伸縮振動峰，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，但其峰值波動不大，變化較小。

5 討論與展望

5.1 加快對蟲體內(nèi)部聚乙烯降解機理研究

針對蟲體內(nèi)部聚乙烯降解，相關(guān)研究有不同的具體效果，但是對于降解的具體變化過程的研究較少，而這卻十分有必要。在探索清楚聚乙烯的降解機理之后，可改變一些客觀條件去強化降解過程的某一個環(huán)節(jié)，可能會在聚乙烯的降解效能上有一個較大的提升。

5.2 生物降解技術(shù)開發(fā)與生物降解塑料研發(fā)雙向發(fā)力，助力治理塑料污染

以聚乙烯為代表的塑料制品，相關(guān)的降解研究有一定的效果，但單獨靠生物降解來消除塑料污染還不太現(xiàn)實，由此提出兩項展望意見：第一，如前所述加強過程研究、強化降解關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以提升微生物的降解能力，是一個著重點。第二，加大對生物降解塑料的研發(fā)投入，使塑料主體更容易被降解，是治理塑料污染的又一個重點。