《Journal of Hazardous Materials》：Co-supplementation of a polyethylene diet for improved fitness of
Galleria mellonella larvae
編輯推薦：
為解決傳統(tǒng)聚烯烴塑料（特別是LDPE）難以生物降解且污染環(huán)境的問題，研究人員開展了通過添加多種宏量和微量營養(yǎng)素（包括天然來源的蜂蜜蜂巢和玉米糖漿）來協(xié)同補充LDPE飲食的研究。結果顯示，天然協(xié)同補充能夠顯著恢復大蠟螟幼蟲的適應性和LDPE消耗量，效果接近其天然飲食，并促進了腸道細菌豐度、多樣性和脂肪體代謝變化。這項研究為利用昆蟲養(yǎng)殖進行大規(guī)模塑料生物修復提供了有前景的策略。
塑料污染已成為全球性的環(huán)境挑戰(zhàn)，其中低密度聚乙烯（LDPE）因其產(chǎn)量大、回收率低，成為填埋場和自然環(huán)境中的頑固負擔。傳統(tǒng)微生物降解LDPE的過程緩慢且低效，常常需要物理預處理，耗時數(shù)周甚至數(shù)年。近年來，一類被稱為“食塑者”的昆蟲被發(fā)現(xiàn)能以更快的速度攝食和生物降解塑料，其中大蠟螟幼蟲表現(xiàn)尤為突出。這種蛾類的幼蟲是天敵，其天然食物是含有蜂蠟、花粉和蜂蜜的蜂巢。有趣的是，蜂蠟和石化塑料（如LDPE）均由長鏈碳氫化合物組成，這使得大蠟螟具備了降解聚乙烯的獨特能力。然而，將LDPE作為唯一食物來源會嚴重影響幼蟲的存活、生長和發(fā)育，這很可能源于純塑料飲食導致的營養(yǎng)缺乏。為了將這種高效的降解潛力轉化為實際的污染治理方案，一個關鍵的科學問題擺在了面前：能否通過優(yōu)化大蠟螟的飲食，在維持其高效降解塑料能力的同時，保障其自身的健康和生存？這正是本文研究的核心出發(fā)點。
為了回答上述問題，加拿大布蘭登大學的研究團隊在《Journal of Hazardous Materials》上發(fā)表了一項研究，系統(tǒng)探討了通過協(xié)同補充宏量和微量營養(yǎng)素來改善以LDPE為食的大蠟螟幼蟲的適應性和攝食活動。
研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，他們設計并進行了多輪幼蟲喂養(yǎng)試驗，將第二齡幼蟲單獨飼養(yǎng)在含有不同處理飲食的錐形管中，直到化蛹，并持續(xù)監(jiān)測其存活、生長、發(fā)育和食物消耗量。其次，他們利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術對第五齡幼蟲的脂肪體進行了非靶向代謝組學分析，以探究不同飲食下的代謝差異。再次，通過定量聚合酶鏈式反應和針對16S rRNA基因V4區(qū)的宏基因組學測序，結合生物信息學分析，他們定量和定性地比較了不同飲食處理下幼蟲腸道細菌的豐度、多樣性和群落結構。
3.1. 糖協(xié)同補充的LDPE飲食
研究表明，在LDPE中添加糖分（果糖、葡萄糖、麥芽糖和蔗糖的混合物）能劑量依賴性地延長幼蟲的存活時間并提高LDPE消耗量。例如，與純LDPE飲食相比，添加50%和82%糖分的飲食使總LDPE攝入量增加了15倍以上。然而，無論糖分濃度多高，幼蟲的生長和發(fā)育都未能有效恢復，其各項適應度指標仍遠低于以天然蜂巢為食的對照組。
3.2. 糖、蛋白質(zhì)/氨基酸和維生素協(xié)同補充的LDPE飲食
在50%糖-LDPE飲食的基礎上，進一步添加蛋白質(zhì)（卵清蛋白）、必需氨基酸混合物和維生素，并未能帶來比單純補充糖分更好的恢復效果。幼蟲的存活、生長和消耗量雖有改善，但仍顯著低于天然飲食組，且幼蟲未能發(fā)育到第四齡以上。
3.3. 蜂巢和玉米糖漿協(xié)同補充的LDPE飲食及食物廢物
這是最成功的飲食方案。將LDPE粉末與天然蜂巢和玉米糖漿按等比例混合后，幼蟲的存活率與天然飲食組相當，消耗量在實驗初期甚至更高，體重增長也表現(xiàn)出可比或更優(yōu)的趨勢。盡管發(fā)育速度仍慢于天然飲食組，但其整體適應度和攝食活動已接近自然狀態(tài)。此外，單獨喂食脫水果蔬廢物的幼蟲也顯示出比人工補充飲食更好的潛力，盡管其表現(xiàn)仍不及天然飲食。
3.4. 非靶向代謝組學
對脂肪體的代謝組學分析顯示，蜂巢-玉米糖漿-LDPE飲食與純蜂巢飲食的代謝譜存在顯著差異。喂食協(xié)同補充飲食的幼蟲，其脂肪體中煙酸、果糖、肌醇和胱硫醚等關鍵代謝物含量較低，而乙醇磷酸鹽、色氨酸、甲硫氨酸和高半胱氨酸等含量較高。這些代謝差異可能與觀察到的發(fā)育減緩有關，并提示LDPE的代謝過程干擾了宿主的正常代謝途徑。
3.5. 宏基因組學
定量PCR分析表明，喂食蜂巢-玉米糖漿-LDPE飲食的幼蟲，其腸道細菌豐度是純LDPE飲食組的4.67倍，而人工補充飲食組與純LDPE組無差異。16S測序分析進一步揭示，天然協(xié)同補充飲食顯著提高了腸道菌群的α多樣性（物種豐富度和均勻度），并改變了β多樣性（群落結構）。具體而言，純LDPE飲食組的腸道菌群主要由腸球菌屬主導（約占98%），而天然協(xié)同補充飲食則富集了棒狀桿菌屬、乳酸桿菌屬和不動桿菌屬等。不動桿菌屬已知與LDPE降解有關。
該研究的結論與討論部分強調(diào)了營養(yǎng)在昆蟲塑料生物降解中的核心作用。雖然所有測試的協(xié)同補充方案都比純LDPE飲食在一定程度上改善了幼蟲的適應性，但只有天然來源（蜂巢和玉米糖漿）的補充能使幼蟲的攝食活動和多數(shù)適應度參數(shù)恢復到接近其天然飲食的水平。這表明，人工合成的營養(yǎng)素組合可能無法完全復制天然食物中復雜的營養(yǎng)成分和可能存在的有益微生物。
其重要意義在于，該研究從機制上揭示了這種恢復可能與更健康、更多樣化的腸道菌群以及脂肪體特定的代謝變化有關。更高的細菌豐度和多樣性可能促進了營養(yǎng)獲取和塑料降解功能。同時，觀察到的發(fā)育延緩可能反而有利于生物修復應用，因為它延長了幼蟲的攝食期，從而可能增加塑料的總消耗量。
這項研究為利用大蠟螟進行大規(guī)模塑料生物修復提供了關鍵的實踐見解。它證明，通過設計合理的協(xié)同補充飲食，可以在維持昆蟲高效降解塑料的同時，保障其種群健康和可持續(xù)養(yǎng)殖。這朝著將“食塑”昆蟲從實驗室現(xiàn)象轉化為可行環(huán)境技術邁出了重要一步。未來研究可聚焦于優(yōu)化天然補充劑的比例和遞送方式，評估降解產(chǎn)物的環(huán)境安全性，并深入解析昆蟲宿主與其微生物組在降解過程中的協(xié)同作用機制。
