摘要
塑料污染是全球最關(guān)注的環(huán)境問題之一，目前利用昆蟲腸道微生物降解塑料是解決塑料污染的新舉措，昆蟲腸道微生物菌群在塑料降解過程中起重要作用，但對昆蟲取食塑料后腸道中微生物群落的組成和動態(tài)還缺乏了解?！灸康摹刻骄咳∈乘芰蠈?種昆蟲幼蟲生理指標(biāo)以及腸道微生物的組成和動態(tài)的影響。【方法】將聚苯乙烯塑料泡沫(polystyrene,PS)、聚乙烯塑料(polyethylene,PE)和麥麩(對照)作為唯一碳源分別飼喂大麥蟲、黃粉蟲、黑粉蟲和大蠟螟，采用熒光原位雜交技術(shù)對4種幼蟲腸道微生物菌群進行動態(tài)監(jiān)測，并比較了它們的生理指標(biāo)和腸道菌群的關(guān)聯(lián)?！窘Y(jié)果】四種昆蟲在取食PS和PE后，體重和體長的增長幅度都顯著低于麥麩對照組；取食PS的黃粉蟲和大麥蟲的存活率比取食PE的分別高25.33%和11.75%；4種昆蟲腸道中微生物優(yōu)勢細(xì)菌菌群為厚壁菌門(Firmicutes，豐度16.98%–54.93%)、變形菌門(Proteobacteria)中的β-變形菌綱(Betaproteobacteria，豐度5.91%–39.34%)和γ‐變形菌綱(Gammaproteobacteria，豐度4.62%–30.86%)以及古菌(Euryarchaeota，豐度9.99%–58.05%)【結(jié)論】除厚壁菌門和變形菌門外，古菌也是嚙食PE和PS的大麥蟲、黃粉蟲、黑粉蟲和大蠟螟幼蟲腸道中的主要菌群。昆蟲腸道中主要微生物菌群的豐度隨時間呈動態(tài)變化，并受塑料類型以及昆蟲種類的影響。大麥蟲和黃粉蟲的體重和體長與腸道微生物菌群顯著相關(guān)。
1、引言
塑料因其耐腐蝕性強、耐磨性好、韌性高和成本低廉等特點，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，1950?2015年全球累積生產(chǎn)的塑料廢棄物達(dá)63億t。自2020年左右，口罩等塑料醫(yī)療制品大量生產(chǎn)。2021年，中國就生產(chǎn)了1.1億t塑料制品。預(yù)計至2050年，全球?qū)⒗塾嫯a(chǎn)生120億t塑料廢棄物。塑料的大量使用且難降解對生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力。日常生活中常用的塑料有聚苯乙烯塑料泡沫(polystyrene,PS)和聚乙烯塑料(polyethylene,PE)等。目前處理PS和PE廢棄物的方法有物理填埋法、燃燒能源回收法、再生造粒和化學(xué)原料回收法等。其中填埋和焚燒都會對環(huán)境造成再次污染，而化學(xué)分解成本較高，難以普及。塑料廢棄物再生造粒技術(shù)存在利用率低、能耗大以及排放物二次污染等問題。近年來，利用生物降解塑料廢棄物已經(jīng)成為了環(huán)境保護研究的焦點，而利用昆蟲降解塑料廢棄物是生物降解中最具吸引力的方法之一。已知可取食塑料的昆蟲包括鱗翅目中的印度谷螟(Plodia interpunctella Htibner)、粉斑螟(Ephestia cautella)和大蠟螟(Galleria mellonella L.)，鞘翅目中的雜擬谷盜(Tribolium confusum)、谷蠹(Rhyzopertha dominica)、煙草甲(Lasioderma serricorne)、米象(Sitophilus oryzae)、鋸谷盜(Oryzaephilus surinamensis)、赤擬谷盜(Tribolium castaneum)、四紋豆象(Callosobruchus maculates)、藥材甲(Stegobium obscurus L.)，以及等足目中的孔團水虱(Sphaeroma)等。其中對有鞘翅目中的大麥蟲(Zophobas atratus Fab.)、黃粉蟲(Tenebrio molitor L.)和黑粉蟲(Tenebrio obscurus F.)，以及鱗翅目的大蠟螟(Galleria mellonella L.)研究較多。大麥蟲、黃粉蟲和黑粉蟲的游離氨基酸含量較高且無毒，能作為牲畜飼養(yǎng)過程中優(yōu)質(zhì)的氨基酸供體。
昆蟲腸道微生物降解塑料的微生物學(xué)機制吸引了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Peng等發(fā)現(xiàn)黑粉蟲幼蟲腸道微生物的腸球菌科(Enterococcaceae)、螺旋體科(Spiroplasmataceae)和腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的豐度變化與其取食PS的量有關(guān)。Brandon等報道黃粉蟲分泌的乳化因子與其腸道微生物協(xié)同作用，增強了對PS塑料的降解效率。Yang等從黃粉蟲腸道中分離出降解PS的微小桿菌屬(Exiguobacterium sp.)，課題組同時利用大慶霉素對腸道細(xì)菌進行抑制，發(fā)現(xiàn)飼喂大慶霉素的黃粉蟲失去了降解PS的能力。Yang等發(fā)現(xiàn)印度古螟幼蟲的腸道食糜可侵蝕并穿透PE，并分離出阿氏腸桿菌(Enterobacter asburiae)和芽孢桿菌(Bacillus sp.)可降解PE的細(xì)菌，同時用軟電離質(zhì)譜技術(shù)對其釋放出的化合物進行檢測，發(fā)現(xiàn)了C7H10、C3H6O2和C29H48O4等12種水溶性子產(chǎn)物。胡亞楠等在大蠟螟腸道食糜中分離出具有降解PE能力的菌株蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus)和Enterobacter bugandensis，體外培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，接種菌株后聚乙烯的C?H伸縮震動峰與酯羰基指數(shù)產(chǎn)生變化，說明菌株利用聚乙烯導(dǎo)致C?H鍵減弱，從而使聚乙烯表面化學(xué)官能團產(chǎn)生了變化。李琛靜等報道飼喂PE和PS塑料25 d后大麥蟲不能正常化蛹，通過凝膠滲透色譜儀(gel permeation chromatography,GPC)測定大麥蟲糞便中殘留的塑料分子量變化，發(fā)現(xiàn)PS的中低分子量物質(zhì)占比增加，而PE的中高分子量物質(zhì)占比增加。
根據(jù)上述研究結(jié)果可推斷，昆蟲嚙食塑料后，通過腸道微生物菌群對塑料進行降解，從而獲得生長所必需的碳源和能源。然而取食不同塑料對昆蟲生理指標(biāo)及腸道微生物菌群的組成和動態(tài)的影響尚不清楚，同時對功能菌群與昆蟲生長發(fā)育之間的關(guān)聯(lián)也尚待了解。因此，本研究以大麥蟲、黑粉蟲、黃粉蟲和大蠟螟幼蟲為研究對象，研究它們在取食PS和PE過程中的存活率、死亡率、化蛹率以及體重體長的變化情況，并采用基因探針通過熒光原位雜交技術(shù)(fluorescence in situ hybridization,FISH)研究不同時間段昆蟲腸道微生物菌群的組成及動態(tài)。
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