3、討論
3.1昆蟲(chóng)取食塑料后腸道微生物群落的組成
昆蟲(chóng)腸道微生物菌群在塑料降解中起重要作用。昆蟲(chóng)啃食塑料后，塑料碎片進(jìn)入昆蟲(chóng)腸道，而腸道中的微生物菌群降解塑料碎片，產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)，SCFA提供了昆蟲(chóng)所需的碳源和能源。在飼養(yǎng)過(guò)程中觀察到昆蟲(chóng)對(duì)PS和PE的取食方式與李瑋等、唐瑞等及丁夢(mèng)琪的報(bào)道相符。本研究采用FISH技術(shù)對(duì)取食PS、PE和麥麩的大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)和大蠟螟幼蟲(chóng)腸道微生物群落的組成和豐度進(jìn)行了多個(gè)時(shí)間點(diǎn)(7、14、21和28 d)分析，發(fā)現(xiàn)廣古菌門的古菌是4種昆蟲(chóng)腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群，占不同時(shí)間點(diǎn)昆蟲(chóng)腸道總菌數(shù)的9.99%–58.05%，特別是在飼喂PS的黑粉蟲(chóng)腸道中28 d高達(dá)58.05%(圖5C2)，而同一時(shí)間點(diǎn)的細(xì)菌豐度僅為37.58%，說(shuō)明古菌也是塑料降解昆蟲(chóng)腸道微生物群落中的主要菌群。
王子君報(bào)道，黃粉蟲(chóng)在嚙食PS后產(chǎn)生了丙酮酸和乙酸，推測(cè)昆蟲(chóng)取食塑料后產(chǎn)生的乙酸可能被甲烷菌利用而產(chǎn)生甲烷。本研究在飼喂塑料的昆蟲(chóng)腸道中發(fā)現(xiàn)了鬃毛甲烷菌，該菌利用乙酸作為能源和碳源生產(chǎn)甲烷，初步驗(yàn)證了王子君的推測(cè)，但是在本研究中鬃毛甲烷菌只占廣古菌門古菌總數(shù)的22.72%–38.67%，廣古菌門絕大部分是甲烷菌，推測(cè)還存在其他的甲烷菌，但它們的組成和代謝特征還有待研究。本研究中除古菌外，厚壁菌門和變形菌門的細(xì)菌也是昆蟲(chóng)腸道中的優(yōu)勢(shì)菌群，與張?jiān)婌实?、Urbanek等和陳冠舟等采用16S rRNA基因高通量測(cè)序?qū)θ∈砅S的黃粉蟲(chóng)腸道微生物群落研究的結(jié)果一致。
飼喂單一的PE和PS對(duì)4種昆蟲(chóng)腸道中主要微生物菌群豐度的影響不同。影響的時(shí)間不同，例如PE對(duì)大麥蟲(chóng)腸道菌群在第7天產(chǎn)生顯著影響，而PS的對(duì)腸道菌群的影響在第21天才觀察到。影響的菌群不同，黃粉蟲(chóng)中PS顯著影響廣古菌門、厚壁菌門、γ‐變形菌綱、乳桿菌和鬃毛甲烷菌，而PE僅影響了鬃毛甲烷菌。然而昆蟲(chóng)不同，PE和PS影響的微生物菌群、影響的時(shí)間均存在顯著差異，說(shuō)明昆蟲(chóng)腸道微生物群落的組成非常復(fù)雜?；陲曃筆E和PS昆蟲(chóng)早期(第7天)微生物菌群豐度的變化無(wú)法判定可能直接參與塑料降解的微生物菌群，因?yàn)椴煌ハx(chóng)微生物菌群豐度的變化各異，甚至有些昆蟲(chóng)(如黃粉蟲(chóng)和大蠟螟)的微生物菌群豐度并未發(fā)生顯著變化。這是因?yàn)槟壳皩?duì)降解塑料的昆蟲(chóng)腸道微生物菌群的組成，特別是降解塑料的微生物菌群的組成還缺乏了解，還未能設(shè)計(jì)出以塑料降解菌群為靶標(biāo)的特異性的基因探針，因此加強(qiáng)昆蟲(chóng)腸道微生物菌群的純培養(yǎng)及其功能研究很有必要。
3.2取食塑料對(duì)昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)指標(biāo)的影響
目前，雖然使用單一塑料作為碳源飼喂昆蟲(chóng)以實(shí)現(xiàn)塑料降解是可行的，但其效率仍有待提高。本研究發(fā)現(xiàn)以單一的PS和PE分別飼喂4種昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)，雖然昆蟲(chóng)體重和體長(zhǎng)均有所增加，但速度慢于飼喂麥麩的對(duì)照組，這與張?jiān)婌实群完愐人媒Y(jié)論一致。
此外，本研究發(fā)現(xiàn)在飼喂PS的4種昆蟲(chóng)中黃粉蟲(chóng)的存活率較高，而殷濤等對(duì)比了取食PS、PE和聚丙烯發(fā)泡板(polypropylene,PP)大麥蟲(chóng)和黃粉蟲(chóng)化蛹率后發(fā)現(xiàn)，大麥蟲(chóng)幼蟲(chóng)期較長(zhǎng)且化蛹率低，本研究結(jié)果也表明在28 d的飼養(yǎng)中大麥蟲(chóng)無(wú)化蛹現(xiàn)象，與其他3種昆蟲(chóng)相比幼蟲(chóng)期最長(zhǎng)，說(shuō)明可取食降解塑料的周期也最長(zhǎng)。研究表明在未成齡幼蟲(chóng)時(shí)(實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前期)少量多次投喂青菜葉、瓜果麥麩、玉米秸稈和水稻秸稈等，對(duì)后期發(fā)育化蛹有利，因此，為了有效地提高昆蟲(chóng)取食塑料的效率，在利用昆蟲(chóng)降解塑料時(shí)，應(yīng)選擇存活率較高的黃粉蟲(chóng)或者幼蟲(chóng)期較長(zhǎng)的大麥蟲(chóng)，同時(shí)添加一定比例的輔食提高昆蟲(chóng)的存活率，從而有效提高昆蟲(chóng)取食塑料的效率。
此外，本研究觀察到黃粉蟲(chóng)和大蠟螟在取食塑料后體色加深。Evison等發(fā)現(xiàn)黃粉蟲(chóng)的體色變化與其表皮結(jié)構(gòu)及抗真菌的能力相關(guān)，體色較深時(shí)，表皮更厚且孔隙更少，與免疫相關(guān)的酚氧化酶活性更高。張?jiān)婌实纫灿^察到類似的現(xiàn)象，并通過(guò)KEGG功能預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)取食PS塑料后黃粉蟲(chóng)體內(nèi)與氨基酸代謝相關(guān)基因的豐度升高。
3.3昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)指標(biāo)與腸道微生物菌群豐度的相關(guān)性
本研究發(fā)現(xiàn)，大麥蟲(chóng)的體重和體長(zhǎng)的變化與β-變形菌的豐度變化呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。β-變形菌包含了許多病原菌，例如伯克霍爾德氏菌(Burkholderia)，在植物害蟲(chóng)生物防治上被廣泛研究，本研究中β-變形菌豐度會(huì)隨大麥蟲(chóng)取食塑料的時(shí)間顯著增加，因而這可能是導(dǎo)致其腸道內(nèi)β-變形菌豐度變化與體重和體長(zhǎng)的變化呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)的原因。黃粉蟲(chóng)體重的變化與腸道中的廣古菌門豐度變化呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，廣古菌門絕大部分是甲烷菌，甲烷菌(例如鬃毛甲烷菌)與宿主(昆蟲(chóng))競(jìng)爭(zhēng)利用塑料降解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，因此造成了黃粉蟲(chóng)體重的降低。然而黑粉蟲(chóng)和大蠟螟的體重、體長(zhǎng)的變化與腸道微生物種群的變化無(wú)顯著(P>0.05)相關(guān)，說(shuō)明飼喂PS和PE的黑粉蟲(chóng)及大蠟螟幼蟲(chóng)，其腸道微生物菌群豐度的變化對(duì)它們的體重和體長(zhǎng)無(wú)顯著影響。
4、結(jié)論
(1)除細(xì)菌厚壁菌門和變形菌門外，古菌廣古菌門也是嚙食PE和PS的大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)和大蠟螟幼蟲(chóng)腸道中的主要菌群。
(2)大麥蟲(chóng)、黃粉蟲(chóng)、黑粉蟲(chóng)和大蠟螟幼蟲(chóng)腸道中的主要微生物菌群的豐度隨時(shí)間呈動(dòng)態(tài)變化，并受塑料類型以及昆蟲(chóng)種類的影響。
(3)大麥蟲(chóng)和黃粉蟲(chóng)的體重和體長(zhǎng)與腸道微生物菌群顯著相關(guān)，而黑粉蟲(chóng)和大蠟螟與腸道微生物菌群無(wú)顯著相關(guān)性。
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