1、广东化工2023年 第4期第50卷 总第486期黄粉虫降解微塑料及其红外图谱分析黄粉虫降解微塑料及其红外图谱分析李洁怡，李丽微*，何文鸣(嘉应学院 化学与环境学院，广东 梅州514015)摘要本文研究了黄粉虫及其肠道细菌对环境中PS、PVC和ABS的微塑料降解作用，分别将PVC，ABS，PS与玉米粉混合饲养黄粉虫，观察黄粉虫取食塑料后的生长情况及塑料降解能力。并通过比较黄粉虫体表和肠道降解菌数量，红外光谱分析和蛋白质含量检测探究微塑料生物资源化作为碳源、氮源的可能性。研究结果表明：黄粉虫降解塑料的最佳养殖密度为75008500只/m2；且PVC玉米(33)组的配比较优，既能保证黄粉虫较高的存活
2、率，又能高效降解塑料；经84天300只黄粉虫的取食其塑料降解量达到8.78 g。以塑料为唯一碳源的环境时，肠道降解菌比体表降解菌更适于生存，进一步验证了在塑料的降解中肠道菌起主导作用。通过蛋白质含量检测发现黄粉虫体内及粪便的蛋白质均明显增加；通过傅里叶红外光谱检测发现每组黄粉虫尸体红外谱图中均出现新物质的吸收峰；在ABS玉米(51)组中发现排泄物的氰基发生断裂，并为蛋白质的合成提供氮源。关键词黄粉虫；生物降解；肠道降解菌；红外光谱；动物蛋白中图分类号TQ文献标识码A文章编号1007-1865(2023)04-0192-05Degradation of Microplastics by Yell
3、ow Mealworm andits Infrared Spectrum AnalysisLi Jieyi,Li Liwei*,He Wenming(Jiaying University,School of Chemistry and Environment,Meizhou 514015,China)Abstract:In this paper,the degradation of PS,PVC and ABS microplastics by mealworms and their intestinal bacteria in the environment was studied.PVC,
4、ABS,PS and corn meal were mixed with mealworms to observe the growth and plastic degradation ability of mealworms after feeding on plastic.The possibility ofbioresource of microplastics as carbon and nitrogen sources was explored by comparing the number of degrading bacteria on the surface of mealwo
5、rms and in theirintestines,infrared spectrum analysis and protein content detection.The results showed that the optimal culture density was 75008500/m2.And PVCcorn(33)group is better,not only can ensure the high survival rate of yellow mealworms,but also can efficiently degrade plastics;After feedin
6、g 300 yellow mealworms for 84days,the amount of plastic degradation reached 8.78 g.When plastic was used as the only carbon source,intestinal bacteria were more suitable for survival than bodysurface bacteria,further confirming the dominant role of intestinal bacteria in plastic degradation.The prot
7、ein content in mealworm body and feces increasedsignificantly.Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)was used to detect the absorption peaks of new substances in the infrared spectra of each group ofyellow mealworms.In the ABSmaize(51)group,the fecal cyanide group was found to break down and p
8、rovide a nitrogen source for protein synthesis.Keywords:tenebriomolitor；biodegradation；intestinal degrading bacteria；infrared spectrum；animal protein2020年，全球塑料产量达到3.67亿吨，其中包括聚氯乙烯塑料(Polyvinyl chloride,PVC)、聚苯乙烯塑料(Polystyrene,PS)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物塑料(Acrylonitrile ButadieneStyrene,ABS)。这三种塑料广泛应用于人类的生产、生活1
9、中，产生了大量微塑料，且在自然环境中结构稳定，降解缓慢，加剧了白色污染2-4。微塑料对人体带来严重的损害5-10，2018年，欧洲消化医学会肠胃病学研讨会上首次披露了来自于8个不同国家志愿者的大便样品中均含有微塑料，且鉴定出多达9个不同种类的塑料11。微塑料在人体内蓄积到一定程度时，将会危害人体的多种器官和系统12。所以，寻找一种经济、无害的处理塑料废弃物的方法显得尤为重要。黄粉虫俗名面包虫，为昆虫纲鞘翅目拟步甲科粉虫属的昆虫13。陈重光14偶然在一次养殖中发现了黄粉虫幼虫具有啮食塑料的能力；沈叶红15发现了以啮食聚苯乙烯塑料为主的黄粉虫虫体没有对小鼠造成急性或慢性的疾病；Yang Yu等人1
10、6-17提出了黄粉虫肠道细菌具有降解和矿化PS塑料的作用，且发现塑料主要被多种肠道微生物降解或矿化为CO2，部分塑料组分中的碳被进一步同化为物质。黄粉虫是畜禽饲料中良好的活体动物蛋白质饲料18-20，而且黄粉虫粪具有很高的经济效益，能够改善土壤的质量，有助于生物的生长发育21。这为研究利用微生物降解塑料废弃物转化为蛋白质饲料，开拓新的碳源和氮源提供了方向。因此，进一步微观机理研究日益重要。本研究以不同塑料与玉米粉混合喂养的黄粉虫幼虫虫体和虫粪为实验材料，实验对黄粉虫肠道及其体表细菌的数量大小进行对比，探究降解塑料的主要菌群所在部位；通过紫外可见分光光谱仪测定虫体与虫粪中蛋白质的含量，比较玉米粉
11、与虫体虫粪的蛋白含量差异，探索黄粉虫食用塑料后的降解产物；采用傅里叶变换红外光谱表征虫体虫粪组分中各种塑料的官能团变化和键的断裂情况，以发现黄粉虫降解微塑料转化为蛋白质的过程。1材料与仪器材料与仪器1.1虫源试验所用黄粉虫幼虫购自山东济南悦轩百货。1.2主要材料与仪器1.2.1试剂生理盐水：NaCl 0.9 g溶于100 mL水中；石油醚(6090)，无水乙醇，85%磷酸；牛血清蛋白，考马斯亮蓝G-250购于柯意哲科学实验室。1.2.2仪器722s可见分光度计(上海仪电分析仪器有限公司)；Perkin-Elmer Spectrum OX型傅里叶红外光谱仪；光学显微镜等。1.2.3培养基LB培养
12、基(gL-1)：蛋白胨10.0 g，酵母膏5.0 g，NaCl 10.0 g，琼脂20.0 g(固体)，pH 7.0；每升无机盐培养基(gL-1)：0.700 g KH2PO4，0.002 gZnSO47H2O，0.700 g K2HPO4，0.002 g FeSO47H2O，0.700 gMgSO47H2O，0.001 g MnSO4H2O，1.000 g NH4NO3，0.005 gNaCl；以上培养基均在1.25105Pa下灭菌30 min。收稿日期2022-08-23基金项目2019年广东省乡村振兴战略专项资金(农村科技特派员)163-2019-XMZC-0009-02-0065；20
13、18年广东省教育厅创强项目2018KTSCX212根际有机污染物高效转变为微生物菌肥；嘉应学院2021年“大学生创新创业训练计划”项目支持20211058210作者简介李洁怡(2001-)，女，广东佛山人，在读本科生，主要研究方向为环境保护。*为通讯作者：李丽微(2000-)，女，广东潮汕人，在读本科生，主要研究方向为环境保护。2023年 第4期广东化工第50卷 总第486期1932试验方法试验方法2.1黄粉虫的饲养预实验：按饲料不同设置PE与玉米粉混合组、PS与玉米粉混合组、PVC与玉米粉混合组及ABS与玉米粉混合组，每组设置三个比例，即塑料与玉米粉的质量比分别为51，33和15，并设置全玉
14、米粉组和PEPSPVCABS的质量比为1111组作为对照组，每组各70条黄粉虫在同等条件下饲养。每天清理黄粉虫蜕掉的皮和尸体并记录死亡数量，进行为期40天的观察。其各组的实验数据如表1所示。选取预实验存活率较好的前四组喂养方式，即分别以PVC玉米(15)，PVC玉米(33)，ABS玉米(51)和PS玉米(15)的配比饲养黄粉虫，每种饲养配比同时做三组实验，每组各300条形态大小均匀的黄粉虫幼虫，在恒温2025，保持湿度在65%75%，遮光条件下培养。同时每天记录黄粉虫的死亡数量和化蛹数量，以两星期为一周期更新饲料及称量饲料余重，并收集各组黄粉虫粪便，待后续实验使用。2.2黄粉虫体表、肠道降解菌
15、的筛选设置空白对照组及PVC玉米(33)，PVC玉米(15)，ABS玉米(51)和PS玉米(15)组，每组分别设置原液、稀释10倍、稀释100倍三个梯度。其具体操作步骤如下：黄粉虫在培养一个月后，向4组中各取大小一致的黄粉虫6条，放置于25 mL的无菌生理盐水浸泡15 min，得到每组的表皮细菌原液，再分别稀释至10倍和100倍。取上述经无菌生理盐水浸泡过的黄粉虫6条，在95%的酒精浸泡60 s后用无菌生理盐水清洗15 s，然后在75%酒精中浸泡1 min，用灭菌的镊子夹住黄粉虫尾部与第二对足部以上部分，拖拉取出完整肠道，放置于无菌生理盐水浸泡15 min得到肠道细菌原液，再将其分别稀释至10
16、倍和100倍。取上述配置好的表皮、肠道菌液各1 mL，接种于无机盐液体培养基中，以每组对应的塑料粉末为唯一碳源进行培养，经振荡器培养3小时后抽取0.1mL采用平板涂布法接种至LB培养基中，对照组则不加菌液，设置两个平行组，恒温培养20 h、40 h后数其菌落数。再将无机盐培养菌液在光学显微镜下观测其细菌的数量。2.3黄粉虫尸体、虫粪与玉米粉的蛋白质含量测定2.3.1样品脱脂方法采用索式抽提法。参考黄雄伟的方法22，在70的水浴锅内使用装有无水乙醚的索氏抽提器恒温抽提6 h。抽提完毕后，将滤纸包放置于通风处，待乙醚挥发完全，再置于105烘箱中干燥2 h。2.3.2样品分离蛋白的制备工艺待测样品经粉碎、过筛、脱脂后获得的粉末，每组均取0.04 g粉末，按一定的料液比与10 mL的1%NaOH溶液进行混合，将其放置于恒温水浴锅上，参考胡荣学的方法23，设定提取时间为2小时，温度为50的条件下进行碱提。碱提结束后，在3000 rmin-1转速下离心20 min，保留上清液。2.3.3蛋白质浓度测定方法蛋白质浓度测定方法采用Bradford法。2.3.4标准曲线的制作取五支具塞试管，分别往内加入
