昆蟲體內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 甘肅省高校環境友好復合材料及生物質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

昆蟲體內聚乙烯降解相關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容物對后續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操作。第四，富集培養。富集培養所要達到的目的是分離昆蟲腸道存在的菌種，所使用的培養基為全營養培養基。第五，馴化培養。某些研究人員也稱之為篩選培養。馴化培養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]。在富集馴化培養階段：胡亞楠等人[3]是先通過全營養培養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基來篩選(馴化)能夠降解聚乙烯的菌種，之后再以全營養培養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 菌落形態觀察及生理生化鑒定

主要參考《常見細菌系統鑒定手冊》[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 基因測序與系統發育分析

根據胡亞楠等人[3]及劉亞飛[6]的相關研究，測序及發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建系統發育樹。

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量差占處理前聚乙烯質量的百分比[11]，體現的是宏觀質量的變化；掃描電鏡的使用對象為聚乙烯膜片，體現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了聚乙烯材料經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、測量OD值、掃描電子顯微鏡和傅里葉紅外光譜；聚乙烯顆粒的狀態指的就是聚乙烯顆粒在液體培養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降解作用的聚乙烯材料和昆蟲蟲體的糞便，展現的是聚乙烯材料經過蟲體腸道一輪之后所發生的變化。

張可等人[8]用最簡單的燃燒實驗也展現了降解作用前后聚乙烯材料所發生的變化，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，以此判定聚乙烯材料發生了某種變化，但降解過程和降解產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了不飽和碳的碳氫鍵伸縮振動峰，分子結構發生了變化，但其峰值波動不大，變化較小。

5 討論與展望

5.1 加快對蟲體內部聚乙烯降解機理研究

針對蟲體內部聚乙烯降解，相關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節，可能會在聚乙烯的降解效能上有一個較大的提升。

5.2 生物降解技術開發與生物降解塑料研發雙向發力，助力治理塑料污染

以聚乙烯為代表的塑料制品，相關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、強化降解關鍵環節，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。