黃粉蟲(chóng)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(yáng) 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(wàn)t，比2014年增加了900萬(wàn) 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(guò)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(kāi)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(wú)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(wú)法進(jìn)行，而目前所用簡(jiǎn)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(wú)污染的處理方式來(lái)解決廢棄塑料問(wèn)題。

黃粉蟲(chóng)，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(chóng)幼蟲(chóng)蛋白質(zhì)含量較高，被譽(yù)為“蛋白質(zhì)飼料寶庫(kù)”[6]。

陳重光首次觀察到黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)可以嚙食泡沫塑料。沈葉紅通過(guò)培養(yǎng)基進(jìn)行了黃粉蟲(chóng)腸道的分離鑒定，并對(duì)黃粉蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)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(chóng)幼蟲(chóng)為材料，用4種不同材質(zhì)的生活常見(jiàn)塑料喂養(yǎng)黃粉蟲(chóng)，研究了黃粉蟲(chóng)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(chóng)采用了相同材料的喂養(yǎng)試驗(yàn)，研究了溫度對(duì)黃粉蟲(chóng)取食塑料的影響;最后，對(duì)同齡期的黃粉蟲(chóng)進(jìn)行了喂養(yǎng)，并對(duì)單位蟲(chóng)重造成的塑料減少量進(jìn)行了分析，為之后黃粉蟲(chóng)的市場(chǎng)推廣提供了參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 材料

蟲(chóng)源：試驗(yàn)所用黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)均購(gòu)買(mǎi)于遼寧省沈陽(yáng)市北市場(chǎng)花鳥(niǎo)魚(yú)蟲(chóng)市場(chǎng)(沈陽(yáng)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(jiàn)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(chóng)幼蟲(chóng)對(duì)生活中四種常見(jiàn)塑料的取食情況

挑選相同齡期的黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)幼蟲(chóng)用作備用蟲(chóng)源，飼養(yǎng)條件基本與對(duì)照組相同。每4 d噴灑一次無(wú)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(chóng)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(chóng)幼蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)單位蟲(chóng)重取食聚苯乙烯塑料的情況

隨機(jī)挑取黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)取食塑料量=(Ma-Mb)×100%

(1)

(2)

式(1)、(2)中,Ma為黃粉蟲(chóng)取食后塑料的體質(zhì)量(g)；Mb為黃粉蟲(chóng)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(chóng)對(duì)塑料的取食情況

黃粉蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)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(chóng)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(chóng)取食4種塑料后塑料的減少量

3.2 溫度對(duì)黃粉蟲(chóng)取食速率的影響

黃粉蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)取食。由圖2(a)、(b)可知，溫度不同的情況下，黃粉蟲(chóng)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(chóng)取食后塑料1的減少量

圖3 夏冬黃粉蟲(chóng)取食后塑料2的減少量

3.3 單位蟲(chóng)重的黃粉蟲(chóng)取食塑料情況

室內(nèi)平均溫度為(7±2)℃黃粉蟲(chóng)單位蟲(chóng)重取食聚苯乙烯泡沫塑料質(zhì)量如圖3所示。黃粉蟲(chóng)單位蟲(chóng)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(chóng)單位蟲(chóng)重取食后塑料的減少量

4 討論

本試驗(yàn)研究了黃粉蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)取食塑料的影響，夏季平均溫度下黃粉蟲(chóng)取食塑料的速率高于冬季平均溫度下的黃粉蟲(chóng)取食速率。喂養(yǎng)相同齡期的黃粉蟲(chóng)，研究了黃粉蟲(chóng)單位蟲(chóng)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(chóng)單位蟲(chóng)重取食塑料的最大速率，若能研究不同溫度下黃粉蟲(chóng)單位蟲(chóng)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(chóng)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(chóng)取食塑料影響很大；黃粉蟲(chóng)單位蟲(chóng)重取食塑料量大最高可達(dá)8 mg/d，且黃粉蟲(chóng)不存在自相殘殺的情況，黃粉蟲(chóng)適合做經(jīng)濟(jì)昆蟲(chóng)。黃粉蟲(chóng)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(chóng)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。