有些昆蟲連塑料都吃，我們能否借此解決廢棄塑料的處理問題？

出品：科普中國

作者：Denovo團(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國科普博覽

自從人造樹膠問世以來，全球塑料產(chǎn)量已超過83億噸。然而，隨著塑料的廣泛應(yīng)用，大量塑料廢棄物被棄置于垃圾填埋場(chǎng)或環(huán)境中。由于管理不善，這些廢棄物會(huì)分解并釋放有害化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)入食物鏈，污染各級(jí)生物。

研究表明，直徑小于5毫米的微塑料對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅，其積累可能引發(fā)遺傳毒性、免疫反應(yīng)和氧化應(yīng)激等問題，目前已在肺部、血液、胎盤等人體多個(gè)部位被發(fā)現(xiàn)。

這些現(xiàn)象引發(fā)了對(duì)微塑料可能導(dǎo)致炎癥、內(nèi)分泌干擾和細(xì)胞損傷的擔(dān)憂，但其具體影響仍需進(jìn)一步研究。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，某些昆蟲展現(xiàn)出了降解塑料的潛力，有望解決塑料污染的問題。

全球每年產(chǎn)生的塑料廢物的重量

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

塑料真的能作為生物的食物嗎？

科學(xué)家們一直在探索塑料是否能被生物作為食物利用，其中，某些甲殼蟲和蛾子的幼蟲已經(jīng)展現(xiàn)了能以塑料為食的能力。

目前，已發(fā)現(xiàn)11種昆蟲被確認(rèn)能夠生物降解塑料，主要屬于鞘翅目擬步甲科（Tenebrionidae：Coleoptera）和鱗翅目螟蛾科（Pyralidae：Lepidoptera）[3]。其中，研究最為廣泛的昆蟲包括黃粉蟲（Tenebrio molitor的幼蟲）、大麥蟲（Zophobas atratus的幼蟲）和蠟蟲（Galleria mellonella的幼蟲）。這些昆蟲能夠降解多種常見的塑料材料，如聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和聚氨酯（PU）[4-6]。

降解塑料的鞘翅目擬步甲科和鱗翅目螟蛾科昆蟲

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

昆蟲是如何降解塑料的？

**昆蟲對(duì)塑料的降解過程是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程，通?？梢苑譃槲鍌€(gè)不同的階段：**塑料被昆蟲的口器機(jī)械咀嚼，隨后進(jìn)入其腸道。昆蟲的腸道會(huì)促進(jìn)微生物的粘附，由于塑料都是高分子聚合物，接著通過酶的作用，塑料會(huì)發(fā)生解聚，形成一些低聚物片段。這些低聚物片段進(jìn)一步降解成更小的分子。隨后，昆蟲的身體吸收這些小分子，并利用它們作為能量來源。最后，昆蟲將最終產(chǎn)物從體內(nèi)排泄出來[7]。

不過，不同昆蟲的解聚能力各有不同，一些昆蟲的解聚過程依賴于腸道微生物，如印度谷螟（Spodoptera frugiperda）依賴腸道腸桿菌來降解聚乙烯[8]。

而蠟蟲降解聚乙烯的過程則不依賴于腸道菌群[9]，研究者通過將蠟蟲勻漿直接涂抹到聚乙烯薄膜表面，發(fā)現(xiàn)聚乙烯發(fā)生了顯著的質(zhì)量損失，這表明蠟蟲體內(nèi)的酶可能直接作用于聚乙烯表面，導(dǎo)致其發(fā)生了降解。黃粉蟲對(duì)聚丙烯和聚苯乙烯的降解依賴于微生物，但對(duì)聚乙烯的降解則不依賴于微生物[10]。

被昆蟲降解后的物質(zhì)有哪些？

早期研究發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲在以聚苯乙烯塑料為食的情況下，就能夠正常生長，且與以正常食物（如麩皮）為食的幼蟲相似。研究者分析了幼蟲排出的淀粉，證實(shí)了長鏈聚苯乙烯分子在幼蟲腸道中發(fā)生了解聚。

**昆蟲的降解能力可能有限，或者降解過程需要特定的條件或時(shí)間。**在16天的測(cè)試期間，被攝入的聚苯乙烯分子中有47.7%的碳被轉(zhuǎn)化為二氧化碳，大約49.2%的聚苯乙烯殘留物以糞便的形式被排出，大約0.5%的聚苯乙烯被同化為生物體的一部分。這表明黃粉蟲對(duì)塑料具有一定的塑料降解和轉(zhuǎn)化能力，但仍有一部分聚苯乙烯沒有被完全分解，而是以原始或部分分解的形式被排出體外[11]。

食塑黃粉蟲對(duì)聚苯乙烯的生物降解過程

（圖片來源：參考文獻(xiàn)11）

另外一些研究者在偶然的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）幼蟲能夠取食聚氯乙烯薄膜，并且能夠利用這些塑料提供能量，短暫存活。這個(gè)發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)家們對(duì)塑料降解機(jī)制的興趣。研究者從這種農(nóng)業(yè)入侵害蟲的腸道中分離出一種能夠降解聚氯乙烯的細(xì)菌——EMBL-1。EMBL-1會(huì)在PVC表面形成一種生物膜，并分泌過氧化氫酶-過氧化物酶將PVC降解為較低分子量的聚合物。

接著，這種細(xì)菌會(huì)利用漆酶、單加氧酶、二加氧酶等將聚氯乙烯的長鏈降解產(chǎn)物進(jìn)一步分解，轉(zhuǎn)化為較短的產(chǎn)物。

此外，研究者發(fā)現(xiàn)編碼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和分解代謝蛋白的基因在EMBL-1菌株的蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組中高度表達(dá)，這些基因可能參與了小有機(jī)分子和脂肪酸的運(yùn)輸，表明EMBL-1菌株可以利用降解后的聚氯乙烯產(chǎn)物作為自身生長所需的能源[12]。

EMBL-1菌株的聚氯乙烯降解途徑

（圖片來源：參考文獻(xiàn)12）

被昆蟲降解后的塑料還會(huì)繼續(xù)污染環(huán)境嗎？

要判斷降解后的塑料是否會(huì)繼續(xù)污染環(huán)境，我們不僅需要理解塑料是如何被降解的，還需要評(píng)估塑料是否被完全降解了？是否還有其他的化學(xué)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物？

昆蟲和環(huán)境微生物對(duì)塑料的降解

（圖片來源：參考文獻(xiàn)7）

**完全降解指的是塑料分子經(jīng)過徹底轉(zhuǎn)化，最終被分解為二氧化碳和水。評(píng)估塑料是否完全降解需要去判斷其是否發(fā)生了礦化。**礦化是有機(jī)物完全分解的過程，在塑料礦化的過程中，塑料中的碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，并融入昆蟲生物質(zhì)中?？梢酝ㄟ^測(cè)量二氧化碳釋放量間接評(píng)估塑料礦化的程度，若降解過程中釋放二氧化碳，說明部分塑料已轉(zhuǎn)化為氣體。

此外，檢測(cè)昆蟲體內(nèi)碳含量和同位素比例變化，也有助于判斷塑料碳是否整合進(jìn)生物體內(nèi)。化學(xué)轉(zhuǎn)化指塑料分子結(jié)構(gòu)的改變，但不一定意味著完全降解。

如前文所述，盡管一些昆蟲能夠降解塑料，但它們的降解能力有限。未被完全降解的塑料會(huì)被昆蟲排出到體外，這些降解產(chǎn)物的環(huán)境安全性仍然需要進(jìn)一步的分析。

昆蟲降解塑料的工業(yè)化潛力

昆蟲降解塑料的研究展示了其潛在的生態(tài)友好型解決方案，但要將這一過程工業(yè)化并應(yīng)用于大規(guī)模的塑料污染治理，還面臨著不少局限性，例如：

**降解速率慢：**昆蟲降解塑料依賴于消化和微生物作用，過程緩慢，無法應(yīng)對(duì)全球塑料污染的增速。

**環(huán)境條件苛刻：**降解效率受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，需維持特定條件，增加了工業(yè)化應(yīng)用的復(fù)雜性和成本。

**生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與操作難度：**不同昆蟲對(duì)塑料的降解效果各異，需精準(zhǔn)匹配種類和塑料類型。同時(shí)，大規(guī)模應(yīng)用可能擾亂生態(tài)平衡或引發(fā)物種入侵。

為了解決這些局限性，科學(xué)家和企業(yè)正從昆蟲降解塑料的機(jī)制中汲取靈感，通過酶工程和微生物技術(shù)，為塑料回收提供高效的解決方案?？茖W(xué)家通過優(yōu)化PET水解酶的設(shè)計(jì)顯著提高了塑料降解效率，研究表明，酶的反應(yīng)速率、底物特異性和抑制作用因其結(jié)構(gòu)差異而變化。這些研究為開發(fā)高效PET降解酶和酶篩選策略提供了重要參考[13]。

法國某公司開發(fā)了一種基于酶的塑料回收工藝，可在16小時(shí)內(nèi)分解97%的PET塑料，效率是傳統(tǒng)方法的10,000倍。該技術(shù)可回收不同類型的PET并生成食品級(jí)再生PET，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)回收[14]。

便攜式獨(dú)立系統(tǒng)可以快速將高能量密度的廢物轉(zhuǎn)化為食物、水和化學(xué)品，以支持遠(yuǎn)征行動(dòng)和穩(wěn)定任務(wù)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)15）

結(jié)語

塑料種類繁多，其降解難度因聚合物結(jié)構(gòu)而異。例如，聚乙烯因穩(wěn)定的線性碳骨架較聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯更難降解。此外，熱、風(fēng)化和紫外線等非生物脅迫會(huì)影響昆蟲及其腸道細(xì)菌對(duì)塑料的降解效率。若能為易降解的塑料開發(fā)匹配的降解酶，約一半塑料垃圾有望實(shí)現(xiàn)回收。未來，隨著對(duì)降解昆蟲、功能菌和降解酶的深入研究，我們有望通過技術(shù)創(chuàng)新最大化塑料回收的環(huán)境效益。

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14.法國公司開發(fā)顛覆性技術(shù)，推出首個(gè)100%酶生物回收PET瓶[EB/OL]. https://www.china-ipif.com/zh-cn/media/news02/_-100--_pet_.html

15. From Plastic to X: Sourcing Military Waste for On-Site Production of Critical Stocks.[EB/OL].[2019-08-07].https://www.darpa.mil/news-events/2019-08-07a