摘要
塑料污染是全球最关注的环境问题之一，目前利用昆虫肠道微生物降解塑料是解决塑料污染的新举措，昆虫肠道微生物菌群在塑料降解过程中起重要作用，但对昆虫取食塑料后肠道中微生物群落的组成和动态还缺乏了解。【目的】探究取食塑料对4种昆虫幼虫生理指标以及肠道微生物的组成和动态的影响。【方法】将聚苯乙烯塑料泡沫(polystyrene,PS)、聚乙烯塑料(polyethylene,PE)和麦麸(对照)作为唯一碳源分别饲喂大麦虫、黄粉虫、黑粉虫和大蜡螟，采用荧光原位杂交技术对4种幼虫肠道微生物菌群进行动态监测，并比较了它们的生理指标和肠道菌群的关联。【结果】四种昆虫在取食PS和PE后，体重和体长的增长幅度都显著低于麦麸对照组；取食PS的黄粉虫和大麦虫的存活率比取食PE的分别高25.33%和11.75%；4种昆虫肠道中微生物优势细菌菌群为厚壁菌门(Firmicutes，丰度16.98%–54.93%)、变形菌门(Proteobacteria)中的β-变形菌纲(Betaproteobacteria，丰度5.91%–39.34%)和γ‐变形菌纲(Gammaproteobacteria，丰度4.62%–30.86%)以及古菌(Euryarchaeota，丰度9.99%–58.05%)【结论】除厚壁菌门和变形菌门外，古菌也是啮食PE和PS的大麦虫、黄粉虫、黑粉虫和大蜡螟幼虫肠道中的主要菌群。昆虫肠道中主要微生物菌群的丰度随时间呈动态变化，并受塑料类型以及昆虫种类的影响。大麦虫和黄粉虫的体重和体长与肠道微生物菌群显著相关。
1、引言
塑料因其耐腐蚀性强、耐磨性好、韧性高和成本低廉等特点，在多个领域得到广泛应用。据统计，1950−2015年全球累积生产的塑料废弃物达63亿t。自2020年左右，口罩等塑料医疗制品大量生产。2021年，中国就生产了1.1亿t塑料制品。预计至2050年，全球将累计产生120亿t塑料废弃物。塑料的大量使用且难降解对生态环境造成了巨大压力。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。目前处理PS和PE废弃物的方法有物理填埋法、燃烧能源回收法、再生造粒和化学原料回收法等。其中填埋和焚烧都会对环境造成再次污染，而化学分解成本较高，难以普及。塑料废弃物再生造粒技术存在利用率低、能耗大以及排放物二次污染等问题。近年来，利用生物降解塑料废弃物已经成为了环境保护研究的焦点，而利用昆虫降解塑料废弃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虫包括鳞翅目中的印度谷螟(Plodia interpunctella Htibner)、粉斑螟(Ephestia cautella)和大蜡螟(Galleria mellonella L.)，鞘翅目中的杂拟谷盗(Tribolium confusum)、谷蠹(Rhyzopertha dominica)、烟草甲(Lasioderma serricorne)、米象(Sitophilus oryzae)、锯谷盗(Oryzaephilus surinamensis)、赤拟谷盗(Tribolium castaneum)、四纹豆象(Callosobruchus maculates)、药材甲(Stegobium obscurus L.)，以及等足目中的孔团水虱(Sphaeroma)等。其中对有鞘翅目中的大麦虫(Zophobas atratus Fab.)、黄粉虫(Tenebrio molitor L.)和黑粉虫(Tenebrio obscurus F.)，以及鳞翅目的大蜡螟(Galleria mellonella L.)研究较多。大麦虫、黄粉虫和黑粉虫的游离氨基酸含量较高且无毒，能作为牲畜饲养过程中优质的氨基酸供体。
昆虫肠道微生物降解塑料的微生物学机制吸引了国内外学者的广泛关注。Peng等发现黑粉虫幼虫肠道微生物的肠球菌科(Enterococcaceae)、螺旋体科(Spiroplasmataceae)和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的丰度变化与其取食PS的量有关。Brandon等报道黄粉虫分泌的乳化因子与其肠道微生物协同作用，增强了对PS塑料的降解效率。Yang等从黄粉虫肠道中分离出降解PS的微小杆菌属(Exiguobacterium sp.)，课题组同时利用大庆霉素对肠道细菌进行抑制，发现饲喂大庆霉素的黄粉虫失去了降解PS的能力。Yang等发现印度古螟幼虫的肠道食糜可侵蚀并穿透PE，并分离出阿氏肠杆菌(Enterobacter asburiae)和芽孢杆菌(Bacillus sp.)可降解PE的细菌，同时用软电离质谱技术对其释放出的化合物进行检测，发现了C7H10、C3H6O2和C29H48O4等12种水溶性子产物。胡亚楠等在大蜡螟肠道食糜中分离出具有降解PE能力的菌株蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)和Enterobacter bugandensis，体外培养实验发现，接种菌株后聚乙烯的C−H伸缩震动峰与酯羰基指数产生变化，说明菌株利用聚乙烯导致C−H键减弱，从而使聚乙烯表面化学官能团产生了变化。李琛静等报道饲喂PE和PS塑料25 d后大麦虫不能正常化蛹，通过凝胶渗透色谱仪(gel permeation chromatography,GPC)测定大麦虫粪便中残留的塑料分子量变化，发现PS的中低分子量物质占比增加，而PE的中高分子量物质占比增加。
根据上述研究结果可推断，昆虫啮食塑料后，通过肠道微生物菌群对塑料进行降解，从而获得生长所必需的碳源和能源。然而取食不同塑料对昆虫生理指标及肠道微生物菌群的组成和动态的影响尚不清楚，同时对功能菌群与昆虫生长发育之间的关联也尚待了解。因此，本研究以大麦虫、黑粉虫、黄粉虫和大蜡螟幼虫为研究对象，研究它们在取食PS和PE过程中的存活率、死亡率、化蛹率以及体重体长的变化情况，并采用基因探针通过荧光原位杂交技术(fluorescence in situ hybridization,FISH)研究不同时间段昆虫肠道微生物菌群的组成及动态。