黃粉蟲體內(nèi)聚乙烯降解特性研究

＊李強(qiáng)文 王魚名 羅濤 張宏*

（1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院 甘肅 730124 2.甘肅省高校環(huán)境友好復(fù)合材料及生物質(zhì)利用省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 730124）

聚乙烯是一類通過聚合制成的熱塑性樹脂化合物[1]。聚乙烯在自然條件下具有良好的機(jī)械性能與化學(xué)穩(wěn)定性，難以在自然條件下降解[2]。某些研究表明[3-8]，某些昆蟲取食PE并有著一定的降解作用。而以黃粉蟲（Tenebrio Molitor）為代表的一類昆蟲，對惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)[9]；可用其處理以聚乙烯為代表的塑料廢棄物。

1.實(shí)驗(yàn)方案

(1)聚乙烯取食特性初步研究

對黃粉蟲進(jìn)行了麥麩與低密度聚乙烯粉末不同質(zhì)量比例的喂養(yǎng)，一個比例喂養(yǎng)時間為5天。通過麥麩/聚乙烯不同質(zhì)量比喂養(yǎng)黃粉蟲，初步探究了聚乙烯在其中產(chǎn)生的影響。

(2)聚乙烯降解菌的富集與分離

黃粉蟲的純化培養(yǎng)，使之恢復(fù)到正常的生長狀態(tài)，確定最佳生長條件。收集咀嚼足夠的PE膜的蠟蟲的幼蟲或黃粉蟲，浸泡在乙醇中消毒，經(jīng)過無菌鹽水沖洗取出腸道，放入含有無菌鹽水的離心管中，均勻五分鐘。去除腸道組織，將清液接種到含有PE和液態(tài)無碳基培養(yǎng)基（LCFBM，Liquid Carbon-free Basal Medium）的錐形瓶中，在振蕩器中培養(yǎng)。培養(yǎng)24h后，將形成的菌落轉(zhuǎn)移到含有新鮮瓊脂培養(yǎng)基的平板上，直到獲得純凈的分離菌株。

(3)聚乙烯粉末降解作用的紅外光譜表征

紅外光譜能夠?qū)ξ镔|(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行表征。在本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，利用紅外光譜對原聚乙烯粉末和取食聚乙烯粉末后的蟲體排泄物進(jìn)行紅外表征。聚乙烯經(jīng)過蟲體的宏觀過程之后，紅外光譜可展現(xiàn)出此過程中聚乙烯微觀結(jié)構(gòu)官能團(tuán)的變化。

(4)聚乙烯膜體表面形態(tài)電鏡表征

經(jīng)過預(yù)處理的聚乙烯膜體作為空白對照，經(jīng)過聚乙烯降解作用之后的聚乙烯膜體為實(shí)驗(yàn)組。分別進(jìn)行聚乙烯膜體的電鏡表征，能夠直觀的體現(xiàn)出膜體表面發(fā)生的變化。

(5)黃粉蟲取食聚乙烯粉末的生命特性探究

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目前期對聚乙烯取食特性的研究基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對黃粉蟲的聚乙烯取食特性進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。統(tǒng)計(jì)了不同聚乙烯質(zhì)量比對黃粉蟲失重率和存活率的影響。

2.結(jié)果與討論

(1)黃粉蟲取食聚乙烯特性初步研究

麥麩與低密度聚乙烯粉末質(zhì)量比例分別為9:1、4:1、7:3、3:2、1:1、2:3、3:7、1:4、1:9、0:1，對黃粉蟲進(jìn)行了十個不同質(zhì)量比例的喂養(yǎng)，一個比例喂養(yǎng)時間為5天。通過麥麩/聚乙烯不同質(zhì)量比喂養(yǎng)黃粉蟲，初步探究了聚乙烯在其中產(chǎn)生的影響。如圖1，結(jié)果顯示不同質(zhì)量的聚乙烯粉末添加量的變化會影響到黃粉蟲凈重變化量。

圖1 黃粉蟲凈重變化量與聚乙烯粉末添加量的關(guān)系

(2)黃粉蟲體內(nèi)降解聚乙烯微生物的初步分離

收集一定數(shù)量的黃粉蟲，分離腸道內(nèi)容物并去除懸浮物，清液作為接種物被轉(zhuǎn)移到含有1g低密度聚乙烯粉末和80mL LCFBM的250mL錐形瓶中，120rpm、30℃水浴恒溫振蕩培養(yǎng)14天。將上述錐形瓶中的培養(yǎng)物涂布于CFBAM，兩天后出現(xiàn)明顯菌落。接種環(huán)挑取菌落于LCFBM中形成菌液，菌液在6℃的防爆冰箱中保存。

(3)黃粉蟲聚乙烯降解性能的紅外表征

為研究聚乙烯粉末在通過黃粉蟲腸道系統(tǒng)前后發(fā)生的具體變化，本研究項(xiàng)目對聚乙烯粉末、取食聚乙烯黃粉蟲的糞便和取食麥麩黃粉蟲的糞便進(jìn)行了固體樣品的紅外分析，紅外分析見圖2。

圖2 聚乙烯粉末、取食聚乙烯黃粉蟲糞便和取食麥麩黃粉蟲糞便的紅外分析

3100～3000cm-1處有吸收峰，可知含有芳香環(huán)或者烯烴類。2922.53cm-1處有吸收峰，說明存在脂肪族C-H伸縮振動強(qiáng)峰，1398.28cm-1為彎曲振動強(qiáng)峰。在1652.71cm-1有吸收峰，則說明有C-O伸縮振動。由于實(shí)際聚乙烯很少是完全線性的，低密度聚乙烯有許多支鏈，因此在1394cm-1處附近能觀察到甲基彎曲振動的譜帶。840～790cm-1處的吸收峰為烯烴三取代C=C彎曲振動。食用聚乙烯的糞便和食用麥麩的糞便光譜在700～800cm-1都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸收峰，表明聚乙烯在昆蟲體內(nèi)發(fā)生了變化。食用聚乙烯的糞便在1100cm-1附近的吸收峰表明在昆蟲體內(nèi)產(chǎn)生了無機(jī)磷酸鹽類或者酯族醚類物質(zhì)。

(4)降解作用前后聚乙烯膜表面形態(tài)變化

聚乙烯膜體表面劣化是降解效能的重要依據(jù)，能夠直觀的表達(dá)出微觀上的變化。本項(xiàng)目對降解作用前后的聚乙烯膜體進(jìn)行了電鏡表征，電鏡表征圖如圖3、圖4。

圖3 降解作用前聚乙烯膜體表面形態(tài)

圖4 降解作用后聚乙烯膜體表面形態(tài)

根據(jù)以上表征圖片可知，降解作用前后的聚乙烯表面形態(tài)有較為明顯的變化。但是這樣一種變化常被認(rèn)為是不太正常的現(xiàn)象，甚至不能說這樣一種變化是由菌種的降解作用所引起的。因?yàn)榫N對于膜體材料的降解作用，通常被認(rèn)為是一種均勻的劣化。

(5)黃粉蟲取食聚乙烯粉末生命特性探究

為探究黃粉蟲取食聚乙烯粉末之后生命特性有關(guān)現(xiàn)象，參考許詩杰等人[7]的相關(guān)研究，本項(xiàng)目對黃粉蟲進(jìn)行了麥麩/LLDPE不同質(zhì)量比例的規(guī)律喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。在黃粉蟲恢復(fù)到正常的生長狀態(tài)以后，分組培養(yǎng)；麥麩/LLDPE質(zhì)量比例分別為0:1、2:3、4:1、1:4、3:2、1:0，總質(zhì)量為15g；每組實(shí)驗(yàn)使用150條生長狀態(tài)良好的黃粉蟲，每個質(zhì)量比例同時做兩組實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1，數(shù)據(jù)分析見圖5、圖6。

圖5 飼養(yǎng)麥麩與LLDPE混合料黃粉蟲存活率

圖6 飼養(yǎng)麥麩與LLDPE混合料黃粉蟲平均蟲質(zhì)量

表1 黃粉蟲取食聚乙烯生命特性數(shù)據(jù)詳細(xì)

由圖5可知在飼養(yǎng)過程中，無論麥麩/LLDPE質(zhì)量比例如何變化，整體趨勢為下降。其中比例為0:1的組別，也就是單純喂養(yǎng)聚乙烯，存活率下降最為顯著，表明了聚乙烯粉末對黃粉蟲的抑制作用。其它組別在一定范圍內(nèi)變化，但區(qū)分不明顯，區(qū)分不明顯的原因可能是其它組別添加的麥麩對于黃粉蟲在整個飼養(yǎng)過程中尚未利用完全。

圖6中體現(xiàn)的是在飼養(yǎng)的在整個過程中，黃粉蟲蟲體平均質(zhì)量的變化。喂養(yǎng)過程中蟲體質(zhì)量應(yīng)該是有一定的增長的，但是由圖6可知整體呈下降趨勢，也就是說飼養(yǎng)過程中，各組別的黃粉蟲一直是處于一個失重的狀態(tài)。其中0:1的組別（完全由聚乙烯飼養(yǎng)）下降的最快，其它組別下降趨勢線雖然較為靠近，但仔細(xì)辨別還是能夠觀察出隨著聚乙烯添加量的增加黃粉蟲蟲體平均質(zhì)量下降的更快。黃粉蟲的正常生長需要適宜的溫度和濕度，實(shí)驗(yàn)保持培養(yǎng)溫度為最適溫度。所以關(guān)于蟲體為什么一直處于一個失重的狀態(tài)，推測為培養(yǎng)環(huán)境中較低的空氣濕度所引起的。

3.總結(jié)與展望

(1)加快各種降解過程的機(jī)理研究

針對聚乙烯降解，相關(guān)的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(jī)理之后，可改變一些客觀條件去強(qiáng)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。

(2)蟲體降解產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

生物降解被認(rèn)為是治理塑料污染有希望的一個發(fā)展研究方向，而昆蟲的產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖是昆蟲降解塑料的一項(xiàng)重大優(yōu)勢，由此可知昆蟲降解聚乙烯背后的巨大潛力。

(3)降解技術(shù)、降解塑料雙向發(fā)力

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(dú)靠生物降解來消除塑料污染還不太現(xiàn)實(shí)，由此提出兩項(xiàng)展望意見。第一，如前所述加強(qiáng)過程研究、強(qiáng)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(diǎn)。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(diǎn)。