论文标题：Radical innovation breakthroughs of biodegradation of plastics by insects: history, present and future perspectives

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Shan-Shan Yang, Wei-Min Wu, Federica Bertocchini, Mark Eric Benbow, Suja P. Devipriya, Hyung Joon Cha, Bo-Yu Peng, Meng-Qi Ding, Lei He, Mei-Xi Li, Chen-Hao Cui, Shao-Nan Shi, Han-Jun Sun, Ji-Wei Pang, Defu He, Yalei Zhang, Jun Yang, Deyi Hou, De-Feng Xing, Nan-Qi Ren, Jie Ding, Craig S. Criddle

发表时间：02 Nov 2023

DOI： 10.1007/s11783-024-1838-x

微信链接：点击此处阅读微信文章

Special issue:Towards a pollution-free planet

最近，由杨珊珊博士与吴唯民博士执笔，近10年来在昆虫生物塑料降解与塑料污染研究方面领军的中国、美国、法国、印度与韩国的专家及研究者共22人合作在FESE发表了一篇迄今为止最全面深入的关于昆虫生物降解塑料的研究的综述与展望文章。

PART/1

昆虫生物降解塑料的发现与进展

自1950年代以来，塑料污染已经逐渐造成全球性的环境、生态与潜在的人类健康问题。塑料生物降解的研究始于1940年代，但迄今为止，研究结果认为塑料在环境中的降解速率极为缓慢，半衰期达数年至数百年。

早在1950年代，研究人员发现有些昆虫嚼食损坏塑料包装材料。2003年，中国中学生发现黄粉虫取食聚苯乙烯泡沫塑料，提出了利用黄粉虫分解塑料。其后一些青少年进行了重复试验和分离降解塑料的昆虫肠道菌, 但未被学术界关注。

2015年研究人员首次报告确认黄粉虫（Tenebrio molitor）生物降解聚苯乙烯塑料，2017年又报告了大蜡螟（Galleria mellonella）幼虫降解聚乙烯塑料薄膜。塑料在昆虫肠道内的半衰期被缩短到仅数小时，与塑料在环境条件下降解相比，塑料生物降解的速率有颠覆性的突破发现。从此， 昆虫生物降解塑料由过去不为主流学术期刊认可的话题，成为一个高度活跃且具有潜在变革性的研究领域。在过去的八年中，有关昆虫降解塑料的论文数爆炸增长。迄今为止，共有11种分类群属于鞘翅目拟步甲科(Tenebrionidae：Colleptera )和鳞翅目螟蛾科(Pyralidae：Lepidoptera) 的昆虫被证实可以生物降解塑料（图1），其降解速率为已知的塑料降解微生物分离菌株的数十至数百倍。

图1 降解塑料的鞘翅目拟步甲科(Tenebrionidae：Colleptera )和鳞翅目螟蛾科(Pyralidae：Lepidoptera)昆虫。(A)、(B) 黄粉虫 （Tenebrio molitor） (C) 黑粉虫 （Tenebrio obscurus ）; (D) 大麦虫（Zophobas atratus ）; (E) 达卫邻烁甲虫（ Plesiophthalmus davidis）; (F) 齿甲虫（Uloma sp.） (G). 赤拟谷盗虫 （Tribolium castaneum）; (H) 外米拟步行虫 （Alphotobius diaperinus）; (I) 印度谷蛾（Plodia Interpunctella）; (J) 大蜡螟 （Galleria mellonella ）; (K) 小蜡螟 （Achroia grisella ）; (L) 米蛾 （Corcyra cephalonica (Staiton)）

试验结果证实，主要塑料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯 （PUR）和聚苯乙烯 （PS）都可以被黄粉虫、大蜡螟等昆虫降解 （图2）。尼龙、橡胶、石墨烯、聚（己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯 (PBAT）及聚乳酸酯(PLA)也能被黄粉虫降解。

图2 确认鞘翅目拟步甲科(Tenebrionidae：Colleptera)和鳞翅目螟蛾科(Pyralidae：Lepidoptera)昆虫生物降解主要塑料的首次报道

PART/2

研究昆虫降解塑料的方法

本文总结了研究昆虫生物降解塑料的方法 （图3）。图左描述测定进食塑料后昆虫的生存率、虫重变化和塑料饲料的物料恒算确认昆虫是否消化和降解塑料；测试抗菌素抑制条件下的塑料降解情况研究肠道微生物与宿主对塑料降解的贡献；和测定塑料降解后的碳平衡量 （包括虫体同化、虫粪排泄、CO2产量）证明黄粉虫通过消化/矿化塑料。图右描述测定塑料降解过程引起的化学和物理变化和分子结构变化以及鉴定生物降解中间产物的多种分析方法， 其中包括用GPC分析确认塑料降解的聚合物解聚， FTIR与1HNMR用来测定塑料氧化反应产生的含氧官能团，TGA与WCA 用来分析塑料的物理性质变化， 同位素试验用来确认生物降解、矿化与同化，PY-GC-MC和GC/MS用来分析降解产物等等。

图3 确定与表征昆虫降解塑料的步骤和方法。主要分析方法：核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 凝胶渗透色谱法 (GPC)、热重分析(TGA)、 热解-气相色谱质谱法 (Py-GC-MS)、测定 湿接触角(WCA)、和¹⁴C和¹³C示踪标记与¹³C/¹²C同位素分析

PART/3

昆虫生物降解塑料的影响因子

近年来，研究者们对影响塑料降解的因子进行了大量的试验。发现昆虫对不同类型的塑料的降解能力的趋势与环境微生物降解一致，即PLA > PET > PS > LDP > HDPE > PP；聚合物的分子量与结晶度越高、越不利於降解。添加一定量的营养饲料促进昆虫降解塑料。塑料降解的速率取决于聚合物类型、分子量、高分子理化结构、昆虫种类及昆虫来源等。

PART/4

塑料降解机理研究

本文就关于昆虫本身肠道微生物组、转录组、蛋白质组和代谢组的新研究评估了昆虫塑料生物降解的机理。分析肠道微生物组是与塑料生物降解相关的一个重要方面。昆虫体内的降解塑料的肠道微生物源於昆虫的食物特殊性，如黄粉虫进食木质纤维素，大蜡螟消化蜂蜡。但进食塑料后，昆虫的微生物组、肠道微生物与宿主的基因转录组、代谢组随塑料种类、分子量及聚合物结构被调控，以适应降解相应的塑料。

抗菌素抑制试验表明，具有降解塑料能力的昆虫可以独立降解塑料如PET。但在环境条件下，塑料的生物降解过程多是昆虫的肠道共生反应，或者通过宿主和肠道微生物的协同作用来快速解聚和降解塑料。

PS、PE、PVC、PET， PP等塑料进入肠道后， 被碎化为微米级颗粒，进一步被生物降解。聚合物链被解聚、生成中间体后被生物降解和矿化为CO2和H2O提供能源，少量被同化为虫体物质。昆虫肠道中的氧气与活性氧（ROS）作为电子受体参与氧化反应。昆虫体内塑料的生物降解属于宿主与肠道微生物的共生反应，肠道微生物群的参与塑料降解的贡献与昆虫家族和塑料种类有关。肠道微生物和宿主都分泌的降解塑料的消化酶与乳化剂；反应以宿主消化酶为主，在塑料降解微生物的参与下加速进行。在进食塑料为单一食物时， 发现肠道固氮菌活性增加 ，为蛋白合成提供氮源。消化后的塑料残余微塑料随虫粪排出（图4）。

图4 昆虫肠道塑料生物降解的概念模型

PART/5

塑料降解有关的毒理学问题

对黄粉虫与大麦虫降解塑料塑料的研究表明，昆虫进食降解塑料时，肠道内的活性氧（ROS）浓度会依赖塑料类型升高， 如降解PVC时ROS高于PS。食料中加入抗氧化剂降低ROS浓度，同时影响塑料降解。活性氧既是为氧化应急反应产物，又参与塑料降解 （图4）。

昆虫降解塑料的过程中会产生微塑料和纳米塑料。但在降解聚苯乙烯和聚乙烯的黄粉虫虫粪中，未检出纳米塑料。进食PS后，在黄粉虫腺体组织中，发现低含量的纳米塑料，三周后降低到检测浓度以下，可能被降解了。降解聚苯乙烯的黄粉虫，未在虫体内积累溴基阻燃剂六溴环十二烷(HBCD)。

PART/6

肠道微生物分离与筛选塑料降解酶

塑料降解昆虫存在丰富的塑料降解微生物。迄今已从黄粉虫、大麦虫和大蜡螟虫肠道中富集分离出了20株以上的塑料降解菌。并从肠道微生物与大蜡螟唾液中发现了塑料降解酶。目前这方面的研究在加速进行。

PART/7

展望

利用昆虫降解塑料具有广泛的发展前景。未来对昆虫对塑料的生物降解的研究无疑将发现更多的塑料降解昆虫、功能菌与降解酶。对昆虫降解塑料有关的毒理学，将有更深入的研究。通过微生物组、代谢物、基因转录和酶学的研究将填补塑料生物降解的科学空白，开发用于塑料废弃物管理、资源回收和生物修复的新方法、新途径和生物产品。

作者简介

吴唯民，博士(Dr. Wei-Min Wu), 美国斯坦福大学土木与环境工程系资深高级研究员, 斯坦福大学科蒂加资源回收研究中心(William & Cloy Codiga Resource Recovery Center)中心资深研究员。1976年毕业於哈尔滨建筑工程学院, 1984年获得清华大学硕士学位, 1991年获得美国密西根州立大学博士学位。1990年至2001年，在美国密西根生物技术研究所先后担任副研究员和研究员、亚太地区开发主任。2001起在斯坦福大学工作。研究领域为环境生物技术与环境微生物学。目前主要从事塑料生物降解与微-纳米塑料污染的研究，共发表学术论文200余篇，他引15,000余次，H因子70，近10发表40余篇有关塑料生物降解与微-纳米塑料污染的论文，并有多项专利与著作。为全球70家专业杂志审稿人与主要国际基金项目申请书评审人。

扫码或点击“Radical innovation breakthroughs of biodegradation of plastics by insects: history, present and future perspectives”获取文章原文

本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第6期发表的Review文章 “Radical innovation breakthroughs of biodegradation of plastics by insects: history, present and future perspectives”。通讯作者斯坦福大学吴唯民博士。

引用格式：Shan-Shan Yang, Wei-Min Wu, Federica Bertocchini, Mark Eric Benbow, Suja P. Devipriya, Hyung Joon Cha, Bo-Yu Peng, Meng-Qi Ding, Lei He, Mei-Xi Li, Chen-Hao Cui, Shao-Nan Shi, Han-Jun Sun, Ji-Wei Pang, Defu He, Yalei Zhang, Jun Yang, Deyi Hou, De-Feng Xing, Nan-Qi Ren, Jie Ding, Craig S. Criddle. Radical innovation breakthroughs of biodegradation of plastics by insects: history, present and future perspectives. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(6): 78 https://doi.org/10.1007/s11783-024-1838-x

本文来自 Special issue - Towards a pollution-free planet

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

期刊官网1（国内免费获取）

http://journal.hep.com.cn/fese

期刊官网2

www.springer.com/journal/11783

欢迎关注

相关阅读

FESE观点 | 朱彤院士：中国环境健康研究展望

FESE综述 | 刘文清院士：碳中和背景下我国大气光学监测技术的需求与挑战

FESE观点 | 曲久辉院士：迈向零污染地球的路径与挑战

FESE观点 | 郝吉明院士、王书肖教授：中国空气污染控制的挑战和展望

FESE观点 | Menachem Elimelech院士：局部反应环境调控强化穿透式电化学水处理技术

FESE观点 | 任洪强院士：中国污水处理领域的科技创新

FESE综述 | 高翔院士：碳捕集的现状和展望

FESE观点 | 王金南院士：迈向人与自然和谐相处的美丽中国建设

FESE观点 | Bruce Logan院士：从舌尖到车轮的日常减碳力量

FESE综述 | 朱利中院士：土壤安全与健康面临的挑战与应对策略

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn