摘要
塑料污染是全球最關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一，目前利用昆蟲(chóng)腸道微生物降解塑料是解決塑料污染的新舉措，昆蟲(chóng)腸道微生物菌群在塑料降解過(guò)程中起重要作用，但對(duì)昆蟲(chóng)取食塑料后腸道中微生物群落的組成和動(dòng)態(tài)還缺乏了解?！灸康摹刻骄咳∈乘芰蠈?duì)4種昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)生理指標(biāo)以及腸道微生物的組成和動(dòng)態(tài)的影響。【方法】將聚苯乙烯塑料泡沫(polystyrene,PS)、聚乙烯塑料(polyethylene,PE)和麥麩(對(duì)照)作為唯一碳源分別飼喂大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)和大蠟螟，采用熒光原位雜交技術(shù)對(duì)4種幼蟲(chóng)腸道微生物菌群進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并比較了它們的生理指標(biāo)和腸道菌群的關(guān)聯(lián)?！窘Y(jié)果】四種昆蟲(chóng)在取食PS和PE后，體重和體長(zhǎng)的增長(zhǎng)幅度都顯著低于麥麩對(duì)照組；取食PS的黃粉蟲(chóng)和大麥蟲(chóng)的存活率比取食PE的分別高25.33%和11.75%；4種昆蟲(chóng)腸道中微生物優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌群為厚壁菌門(mén)(Firmicutes，豐度16.98%–54.93%)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)中的β-變形菌綱(Betaproteobacteria，豐度5.91%–39.34%)和γ‐變形菌綱(Gammaproteobacteria，豐度4.62%–30.86%)以及古菌(Euryarchaeota，豐度9.99%–58.05%)【結(jié)論】除厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)外，古菌也是嚙食PE和PS的大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)和大蠟螟幼蟲(chóng)腸道中的主要菌群。昆蟲(chóng)腸道中主要微生物菌群的豐度隨時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化，并受塑料類型以及昆蟲(chóng)種類的影響。大麥蟲(chóng)和黃粉蟲(chóng)的體重和體長(zhǎng)與腸道微生物菌群顯著相關(guān)。
1、引言
塑料因其耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、韌性高和成本低廉等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1950?2015年全球累積生產(chǎn)的塑料廢棄物達(dá)63億t。自2020年左右，口罩等塑料醫(yī)療制品大量生產(chǎn)。2021年，中國(guó)就生產(chǎn)了1.1億t塑料制品。預(yù)計(jì)至2050年，全球?qū)⒗塾?jì)產(chǎn)生120億t塑料廢棄物。塑料的大量使用且難降解對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力。日常生活中常用的塑料有聚苯乙烯塑料泡沫(polystyrene,PS)和聚乙烯塑料(polyethylene,PE)等。目前處理PS和PE廢棄物的方法有物理填埋法、燃燒能源回收法、再生造粒和化學(xué)原料回收法等。其中填埋和焚燒都會(huì)對(duì)環(huán)境造成再次污染，而化學(xué)分解成本較高，難以普及。塑料廢棄物再生造粒技術(shù)存在利用率低、能耗大以及排放物二次污染等問(wèn)題。近年來(lái)，利用生物降解塑料廢棄物已經(jīng)成為了環(huán)境保護(hù)研究的焦點(diǎn)，而利用昆蟲(chóng)降解塑料廢棄物是生物降解中最具吸引力的方法之一。已知可取食塑料的昆蟲(chóng)包括鱗翅目中的印度谷螟(Plodia interpunctella Htibner)、粉斑螟(Ephestia cautella)和大蠟螟(Galleria mellonella L.)，鞘翅目中的雜擬谷盜(Tribolium confusum)、谷蠹(Rhyzopertha dominica)、煙草甲(Lasioderma serricorne)、米象(Sitophilus oryzae)、鋸谷盜(Oryzaephilus surinamensis)、赤擬谷盜(Tribolium castaneum)、四紋豆象(Callosobruchus maculates)、藥材甲(Stegobium obscurus L.)，以及等足目中的孔團(tuán)水虱(Sphaeroma)等。其中對(duì)有鞘翅目中的大麥蟲(chóng)(Zophobas atratus Fab.)、黃粉蟲(chóng)(Tenebrio molitor L.)和黑粉蟲(chóng)(Tenebrio obscurus F.)，以及鱗翅目的大蠟螟(Galleria mellonella L.)研究較多。大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)和黑粉蟲(chóng)的游離氨基酸含量較高且無(wú)毒，能作為牲畜飼養(yǎng)過(guò)程中優(yōu)質(zhì)的氨基酸供體。
昆蟲(chóng)腸道微生物降解塑料的微生物學(xué)機(jī)制吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Peng等發(fā)現(xiàn)黑粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)腸道微生物的腸球菌科(Enterococcaceae)、螺旋體科(Spiroplasmataceae)和腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的豐度變化與其取食PS的量有關(guān)。Brandon等報(bào)道黃粉蟲(chóng)分泌的乳化因子與其腸道微生物協(xié)同作用，增強(qiáng)了對(duì)PS塑料的降解效率。Yang等從黃粉蟲(chóng)腸道中分離出降解PS的微小桿菌屬(Exiguobacterium sp.)，課題組同時(shí)利用大慶霉素對(duì)腸道細(xì)菌進(jìn)行抑制，發(fā)現(xiàn)飼喂大慶霉素的黃粉蟲(chóng)失去了降解PS的能力。Yang等發(fā)現(xiàn)印度古螟幼蟲(chóng)的腸道食糜可侵蝕并穿透PE，并分離出阿氏腸桿菌(Enterobacter asburiae)和芽孢桿菌(Bacillus sp.)可降解PE的細(xì)菌，同時(shí)用軟電離質(zhì)譜技術(shù)對(duì)其釋放出的化合物進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了C7H10、C3H6O2和C29H48O4等12種水溶性子產(chǎn)物。胡亞楠等在大蠟螟腸道食糜中分離出具有降解PE能力的菌株蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)和Enterobacter bugandensis，體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接種菌株后聚乙烯的C?H伸縮震動(dòng)峰與酯羰基指數(shù)產(chǎn)生變化，說(shuō)明菌株利用聚乙烯導(dǎo)致C?H鍵減弱，從而使聚乙烯表面化學(xué)官能團(tuán)產(chǎn)生了變化。李琛靜等報(bào)道飼喂PE和PS塑料25 d后大麥蟲(chóng)不能正常化蛹，通過(guò)凝膠滲透色譜儀(gel permeation chromatography,GPC)測(cè)定大麥蟲(chóng)糞便中殘留的塑料分子量變化，發(fā)現(xiàn)PS的中低分子量物質(zhì)占比增加，而PE的中高分子量物質(zhì)占比增加。
根據(jù)上述研究結(jié)果可推斷，昆蟲(chóng)嚙食塑料后，通過(guò)腸道微生物菌群對(duì)塑料進(jìn)行降解，從而獲得生長(zhǎng)所必需的碳源和能源。然而取食不同塑料對(duì)昆蟲(chóng)生理指標(biāo)及腸道微生物菌群的組成和動(dòng)態(tài)的影響尚不清楚，同時(shí)對(duì)功能菌群與昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育之間的關(guān)聯(lián)也尚待了解。因此，本研究以大麥蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)和大蠟螟幼蟲(chóng)為研究對(duì)象，研究它們?cè)谌∈砅S和PE過(guò)程中的存活率、死亡率、化蛹率以及體重體長(zhǎng)的變化情況，并采用基因探針通過(guò)熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization,FISH)研究不同時(shí)間段昆蟲(chóng)腸道微生物菌群的組成及動(dòng)態(tài)。
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