聚四氟乙烯對溫帶臭蟲爬行能力的影響

韓東良,蕭 欣,王常祿,師大霞,趙 靜,賴增哲,何余容,王德森*

(1. 華南農業大學昆蟲學系,廣州510642;2. 南京農業大學昆蟲學系,南京 210095;3. Department of Entomology, Rutgers University, New Brunswick, NJ 08901, USA;4. 廣東生態工程職業學院生態工程系,廣州 510520)

臭蟲屬于半翅目Hemiptera臭蟲科Cimicidae,目前全世界已知種類為110種;其中與人類關系密切、靠吸食人血為生的臭蟲包括溫帶臭蟲CimexlectulariusL.和熱帶臭蟲C.hemipterus(F.)(Akhoundietal., 2020)。被臭蟲叮咬、吸血后,人體會產生諸多不適。例如,被叮咬部位會出現紅斑狀丘疹或水皰,還會出現因抓撓而造成的皮膚破損和二次感染等(Kolbetal., 2009; Reinhardtetal., 2009; Rahimetal., 2016)。年長者和體質較差者被叮咬后還可能會出現貧血(Zorrilla-Vacaetal., 2015)。另外,長期被臭蟲叮咬、吸血將誘發失眠、焦慮、抑郁等心理疾病的產生(Doggettetal., 2012; Susseretal., 2012),更有甚者還會導致自殺事件的發生(Burrowsetal., 2013)。截至目前,雖然尚未證實臭蟲是否能夠傳播疾病,但現有的研究已經證實在溫帶臭蟲和熱帶臭蟲體內及糞便中均能檢測到五日熱巴爾通體Bartonellaquintana、回歸熱螺旋體Borreliarecurrentis、克氏錐蟲Trypanosomacruzi以及立克次氏體Rickettsia等多種病原物(Angelakisetal., 2013; Leulmietal., 2015; Blakelyetal., 2018; El Hamzaouietal., 2019; Thongpremetal., 2020)。因此,臭蟲依然存在成為人類疾病重要傳播媒介的可能。

隨著臭蟲對殺蟲劑抗性的日益增強、高毒高持效性殺蟲劑的禁用,以及人類活動和對外貿易的日漸頻繁,從20世紀90年代后期開始,臭蟲在世界范圍內(除南極洲外)呈現出大暴發的趨勢(Eddy and Jones, 2011; Doggettetal., 2012)。近年來,臭蟲在我國的危害程度也日益加重,存在廣泛發生的風險(Wangetal., 2013b; 任東升等, 2019, 2020; 王德森等, 2020)。在我國,臭蟲多發生在工廠宿舍、學生宿舍、出租房、火車車廂和軍營等人員密集、人流量大的場所(王德森等, 2020)。通過前期的調查,發現當前我國的臭蟲防治工作存在眾多問題,最為突出的是“防治方法單一、過度依賴化學防治”(王德森等, 2020)。由于臭蟲發生和躲藏區域的特殊性(白天大部分時間躲藏在床和沙發的縫隙、或者屋內墻壁的裂縫中),殺蟲劑的不當使用極易導致該蟲抗藥性的產生或進一步加重,還將對人身安全構成極大的威脅。因此,探索高效、安全的防治方法成為當前臭蟲防治過程中亟待解決的問題。

臭蟲翅已退化,只能通過爬行的方式搜尋寄主。因此,如何有效遏制臭蟲的爬行成為降低該蟲危害最直接、最安全的方法。Wang等(2011)研制了一款名為ClimbUp的臭蟲攔截裝置,將該裝置放在床或沙發腿下可有效避免臭蟲向床上和沙發上攀爬,從而有效地保護居民免受臭蟲侵擾;同時該裝置還能對房間內的臭蟲發生情況進行及時監測。另外,在床腿和沙發腿上涂抹殺蟲劑也能夠有效地殺滅臭蟲(Wangetal., 2013a)。然而,假設在床腿和沙發腿上涂抹一層光滑涂料是否可以有效地阻隔臭蟲向床上和沙發上垂直攀爬呢?在房屋門前的地面涂一條涂料隔離帶能否避免臭蟲向屋內或屋外水平擴散呢?這些疑問目前還尚未得到解答。

聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,簡稱PTFE)又名特氟龍,是一種高分子聚合物,不污染環境,且耐熱、耐寒性優良,可在 -180～260℃長期使用。該材料具有極好的減摩性能,被認為是現今摩擦系數最低的潤滑材料之一,被廣泛應用于固體潤滑領域(葛成利等, 2009)。該物質除了在醫學研究、廚具制造(如不粘鍋涂層)、航天、化工、機械、紡織等多個領域充當重要角色外,在昆蟲學研究中也發揮著舉足輕重的作用。研究表明,聚四氟乙烯能夠顯著提高昆蟲陷阱的捕獲率(Grahametal., 2010; Graham and Poland, 2012);此外,在實驗過程中,聚四氟乙烯經常被作為一種光滑的涂料涂抹于培養皿等試驗裝置的內壁以防止螞蟻等昆蟲逃逸(Chen and Wei, 2007; Chen, 2010; Singhetal., 2016)。然而,聚四氟乙烯能否用于臭蟲的實地防治目前尚不清楚。

為此,本研究以溫帶臭蟲作為研究對象,通過行為觀察法評估聚四氟乙烯涂層對其攀爬能力的影響、測定涂層的持效期,并探究涂層對臭蟲水平爬行能力的干擾效應。研究結果可以為溫帶臭蟲的高效、安全防治提供理論依據和技術支持,對改善居民生活環境、提高生活質量具有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 供試昆蟲

臭蟲(北京品系)活體于2019年6月采自北京市大興區某工廠1間員工宿舍內。蟲體前胸背板寬高比為2.8,鑒定為溫帶臭蟲(Usinger, 1966)。在實驗室條件下,臭蟲采用脫纖維羊血(購買于廣州蕊特生物科技有限公司)飼喂和繁殖,飼喂頻率為每周一次。臭蟲飼養盒為直徑5.3 cm、高10.3 cm的圓柱形塑料盒,盒底部去除并用紗網密封,以方便臭蟲通過紗網取食,盒內放置折疊后的紅色硬紙方便臭蟲躲藏。飼養條件和實驗條件均為溫度26±1 ℃、 相對濕度65%±5%、光周期L∶D=12∶12。為了保證足夠活躍,本實驗選用的溫帶臭蟲均饑餓處理7～14 d;其中,1齡若蟲的年齡為7～14 d(孵化后7～14 d)、且尚未取食過血液。

1.2 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲垂直攀爬能力的影響及涂層持效期測定

在實驗室條件下,以長95 cm、寬75 cm、高10 cm的塑料托盤,白色的ClimbUp昆蟲攔截器(直徑15.24 cm、高2.3 cm;Susan McKnight, Inc., Memphis, TN)和黑色表面光滑的實心鐵棒(直徑4 cm、高20 cm)作為實驗裝置(圖1-A)。在鐵棒上方粘一個直徑3.3 cm、高5.5 cm的塑料瓶,瓶內裝有100 μL的溫帶臭蟲化學引誘劑(壬醛、1-辛烯-3-醇、乳酸、留蘭香油按1∶1∶1∶0.5的比例混合)(Singhetal., 2015; Wangetal., 2017),瓶底部與鐵棒結合處粘一張折成帳篷形狀的紅色小紙片以方便臭蟲攀爬至鐵棒頂端后躲藏。鐵棒中部涂一層聚四氟乙烯涂層,分別設置寬度為1 cm、3 cm、6 cm的涂層作為3種不同處理,涂層下方距鐵棒底部為6 cm。對照組鐵棒不做任何處理。涂抹后的鐵棒在實驗室條件下放置1～2 h,使涂層自然風干。將處理好的鐵棒放置在ClimbUp昆蟲攔截器內;攔截器內底貼一張濾紙以方便臭蟲爬行,內壁涂一層聚四氟乙烯涂層防止臭蟲逃逸。進入黑暗循環1～2 h后開始測試,本研究共包括2個實驗。實驗1,每個攔截器中引入20頭臭蟲(10頭3～5齡若蟲、10頭雄成蟲),并在4個鐵棒上方50 cm處釋放CO2(220 mL/min)以刺激臭蟲爬行。實驗2,每個攔截器中放入20頭1齡若蟲,在4個鐵棒上方50 cm處釋放CO2(220 mL/min)以刺激臭蟲爬行。6 h后分別記錄不同處理中爬過聚四氟乙烯涂層的臭蟲數量,實驗重復4次。實驗1中,爬過聚四氟乙烯涂層的臭蟲數量為3～5齡若蟲和雄成蟲數量總和(3～5齡若蟲和雄成蟲的攀爬能力不進行比較)。

圖1 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲垂直攀爬能力(A)和水平爬行能力(B)影響的實驗裝置Fig.1 Experimental setup for evaluating the effect of PTFE coating on the vertical climbing ability (A) and the horizontal crawling ability (B) of Cimex lectularius

此外,進一步測定寬度為6 cm的聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲阻隔作用的持效期。實驗裝置和方法同上,也包括2個實驗。實驗1,將處理好的鐵棒在室內分別放置1、3、5、7、14、28、42、56、84和112 d后開展實驗,在每個攔截器中引入20頭臭蟲(10頭3～5齡若蟲、10頭雄成蟲)。實驗2,將處理好的鐵棒在室內分別放置14、28、56和112 d后開展實驗,在每個攔截器中引入20頭1齡若蟲。6 h后記錄爬過聚四氟乙烯涂層的臭蟲數量,實驗重復6次。實驗1中,爬過聚四氟乙烯涂層的臭蟲數量為3～5齡若蟲和雄成蟲數量總和(3～5齡若蟲和雄成蟲的攀爬能力不進行比較)。

1.3 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲水平爬行能力的影響

以長30 cm、寬30 cm的地板磚和長95 cm、寬75 cm、高10 cm的塑料托盤作為實驗裝置,在磚上畫出邊長為9 cm和21 cm的兩個同心正方形,處理組在兩個正方形邊長所圍成的區域內(寬度為6 cm)涂上聚四氟乙烯,對照組不做處理(圖1-B)。地板磚放置在塑料托盤內,托盤內壁涂一層聚四氟乙烯涂層防止臭蟲逃逸。將若蟲/雄成蟲單頭引入地板磚中央未處理的區域內并開始實驗,記錄臭蟲穿過6 cm寬處理區域所用的時間。若蟲與雄成蟲交替進行實驗,每頭臭蟲僅測試1次。對照組若蟲和雄成蟲分別重復34次和40次,處理組若蟲和雄成蟲分別重復29次和33次。

1.4 數據處理和分析

不同寬度聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲垂直攀爬能力的影響采用單因素方差分析進行比較。當顯著性差異存在時(P<0.05),采用Tukey’s HSD檢驗對均值進行多重比較。聚四氟乙烯涂層的持效期測定實驗中,爬過涂層的臭蟲百分率與對照組之間的差異采用獨立樣本t檢驗進行統計分析。聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲水平爬行能力影響的實驗中,臭蟲爬過涂層區域所用時間與對照組的差異、以及若蟲和雄成蟲爬過涂層區域所需時間的差異均采用獨立樣本t檢驗進行分析。所有實驗數據均采用SPSS 24.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲垂直攀爬能力的影響及涂層持效期測定

聚四氟乙烯涂層能夠顯著降低溫帶臭蟲(3～5齡若蟲和雄成蟲)的垂直攀爬能力(F3,12=11.8,P=0.001),隨著涂層寬度的增加臭蟲爬過涂層的百分率逐漸降低。當聚四氟乙烯涂層寬度達到6 cm時對臭蟲的阻隔作用可達到100%(圖2-A)。6 h內,臭蟲爬過寬度為1 cm、3 cm和6 cm涂層的百分率分別為10.0%±3.5%、1.3%±1.3%和0%,均顯著低于對照組(52.5%±13.9%)(圖2-A)。此外,寬度為1 cm、3 cm和6 cm的聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲1齡若蟲的阻隔作用均可達到100%(圖2-B)。6 h內,1齡若蟲爬過寬度為1 cm、3 cm和6 cm涂層的百分率均為0,均顯著低于對照組(59.6%±17.8%)(F3,12=15.1,P<0.001)(圖2-B)。

圖2 溫帶臭蟲爬過不同寬度聚四氟乙烯涂層的百分率Fig.2 Percentage of Cimex lectularius crossed the PTFE treated band注:A,3～5齡若蟲和雄成蟲;B,1齡若蟲。不同小寫字母表示各處理間存在顯著差異(單因素方差分析;P<0.05, Tukey’s HSD檢驗)。Note: A, 3rd ～ 5th instar nymphs and male adults; B, 1st instar nymphs. Different lowercase letters above the bars indicated significant differences between treatments (one-way ANOVA; P<0.05, Tukey’s HSD test).

進一步的實驗顯示,聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲若蟲(1齡若蟲和3～5齡若蟲)和雄成蟲阻隔作用的持效期均可達到112 d以上。在屋內放置1、3、14、28、42、56、84和112 d后,溫帶臭蟲爬過寬度為6 cm聚四氟乙烯涂層的百分率(均為0)均顯著低于對照組(所有P<0.05)(圖3-A、B)。

圖3 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲的阻隔作用持效期Fig.3 Effect of PTFE aging period on its effectiveness in preventing Cimex lectularius from crossing注:A,3～5齡若蟲和雄成蟲;B,1齡若蟲。相同時間內對照組和處理組間的差異采用獨立樣本t檢驗進行分析(*,P<0.05;**,P<0.01)。Note: A, 3rd ～ 5th instar nymphs and male adults; B, 1st instar nymphs. The difference between control and treatment at each aging period was analyzed by independent samples t test (*, P<0.05; **, P<0.01).

2.3 聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲水平爬行能力的影響

聚四氟乙烯涂層不會影響溫帶臭蟲3～5齡若蟲和雄成蟲的水平爬行能力,3～5齡若蟲和雄成蟲爬過涂層和對照區域的概率均為100%。此外,溫帶臭蟲爬過涂層區域所需時間與對照無顯著差異(3～5齡若蟲:t=-0.5, df=61,P=0.637;雄成蟲:t=0.1, df=71,P=0.923),并且3～5齡若蟲和雄成蟲爬過涂層區域所需時間也不存在顯著差異(t=1.0, df=60,P=0.331)。3～5齡若蟲爬過涂層和對照區域所需時間分別為59.3±7.6 s和54.5±6.7 s,雄成蟲爬過涂層和對照區域所需時間分別為48.2±8.3 s和49.3±8.1 s。

3 結論與討論

本研究在實驗室條件下采用行為觀察法評估了高分子聚合物-聚四氟乙烯對溫帶臭蟲垂直和水平爬行能力的影響。結果顯示:溫帶臭蟲的垂直攀爬能力會受到聚四氟乙烯涂層的顯著影響。涂層越寬對溫帶臭蟲3～5齡若蟲和雄成蟲的阻隔效果越好,當寬度達到6 cm時可100%阻隔3～5齡若蟲和雄成蟲;對1齡若蟲而言,1 cm寬度的涂層便可完全阻隔臭蟲的垂直攀爬。進一步研究發現,涂層對臭蟲阻隔作用的持效期可達112 d以上。然而,聚四氟乙烯涂層不會影響溫帶臭蟲的水平爬行能力。

臭蟲能否在物體表面正常爬行主要取決于其腿部跗節末端的爪以及脛節爪墊上絨毛與物體表面所產生摩擦力的大小(Usinger, 1966; Bullock and Federle, 2011; Hotteletal., 2015; Kimetal., 2017)。因此,作為摩擦系數極低的材料(葛成利等, 2009),聚四氟乙烯在臭蟲防治中擁有潛在的應用價值。在聚四氟乙烯涂層阻隔溫帶臭蟲垂直攀爬實驗中,臭蟲一旦爬至涂層區域便會立即滑落,這種現象的原因可能是臭蟲腿部與聚四氟乙烯涂層所產生的摩擦力遠小于自身體重所致。考慮到不同齡期的溫帶臭蟲體重存在明顯差異,本研究分別測定了聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲3～5齡若蟲、雄成蟲和1齡若蟲垂直攀爬能力的影響,發現聚四氟乙烯涂層對1齡若蟲的阻隔效果明顯優于3～5齡若蟲和雄成蟲。Kim等(2017)比較了溫帶臭蟲與熱帶臭蟲攀爬能力的差異,發現熱帶臭蟲成蟲較強的攀爬能力得益于其脛節爪墊上所著生的較為密集的絨毛。溫帶臭蟲1齡若蟲較低的垂直攀爬能力是否與其脛節爪墊上絨毛密度有關還需進一步探究。

研究結果顯示,聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲阻隔作用的持效時間超過了112 d,證實該物質在溫帶臭蟲防治中具有較大的應用潛力。實驗過程中,涂有聚四氟乙烯涂層的鐵棒被放置在實驗室環境中,而無意間的剮蹭導致了部分涂層脫落。為了避免因涂層脫落而產生的實驗誤差,本研究的最長持效期測試時間點為112 d。涂有聚四氟乙烯的床腿或沙發腿在實際生活中很可能也會被居民無意中碰掉/蹭掉。因此,在實際應用中應當定期檢查涂有聚四氟乙烯的床腿和沙發腿,一旦涂層脫落需立即再次涂抹;或者研究能夠使涂層永不脫落的工藝,以實現聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲的有效阻隔。

除了沿床腿、沙發腿和其他家具腿向上攀爬搜尋寄主外,溫帶臭蟲還能夠通過水平爬行的方式向相鄰房間進行擴散(Wangetal., 2010; Cooperetal., 2015)。為此,本研究評估了聚四氟乙烯涂層對溫帶臭蟲水平爬行能力的影響。為了接近實際,實驗選擇表面光滑的地板磚作為聚四氟乙烯涂層的涂抹基質/底板。結果顯示,涂層無法阻止溫帶臭蟲的水平爬行。這一現象的原因可能與溫帶臭蟲水平爬過聚四氟乙烯涂層所產生的摩擦力有關:在水平爬行過程中,由于不受自身重力的影響,一旦臭蟲腿部與聚四氟乙烯涂層所產生的的摩擦力足以支撐身體向前移動便可輕易通過涂層。這意味在房屋門前的地面上涂抹聚四氟乙烯涂層無法達到有效阻隔溫帶臭蟲向屋內、屋外水平擴散的目的。本研究僅測試了爬行能力較強的3～5齡若蟲和雄成蟲,而爬行能力較弱的1齡若蟲能否水平爬過聚四氟乙烯涂層還需加以研究。

雖然聚四氟乙烯能夠有效阻隔溫帶臭蟲的垂直攀爬,但在實際應用中尚有許多值得注意的方面。首先,床腿或沙發腿的材質會顯著影響涂層對溫帶臭蟲的阻隔效果。本研究中,表面光滑的鐵棒涂抹聚四氟乙烯后可有效阻隔溫帶臭蟲的垂直攀爬;而預實驗中以木棒來模擬床腿或沙發腿,發現聚四氟乙烯涂抹于木棒表面后會被木棒所吸收,導致涂層表面粗糙,從而很難發揮阻隔臭蟲垂直攀爬的作用;另外,表面為纖維材質的床腿/沙發腿即使涂了聚四氟乙烯后很可能也無法對溫帶臭蟲進行有效阻隔。其次,床上或沙發上鋪設的布藝/床單不能拖在地上;一旦拖地,臭蟲便會通過布藝/床單爬上床或沙發,這樣以來,床腿或沙發腿涂抹的聚四氟乙烯便形同虛設了。最后,隨著世界經濟全球化和我國城市化進程的加快,臭蟲在我國的危害呈現出與日俱增的趨勢(Wangetal., 2013b; 任東升等, 2019, 2020; 王德森等, 2020),其中華南地區以熱帶臭蟲為主,其它省份則以溫帶臭蟲為主(鄧國藩和馮蘭洲, 1953; Wang and Wen, 2011)。研究表明,熱帶臭蟲的攀爬能力顯著強于溫帶臭蟲(Kimetal., 2017),而本研究僅以溫帶臭蟲作為研究對象,有關聚四氟乙烯對熱帶臭蟲爬行能力影響的研究還需進一步探討,以便為該物質因地制宜的應用于臭蟲實地防治提供理論依據和技術支撐。