原题：Microplastics Biofragmentation and Degradation Kinetics in the Plastivore Insect Tenebrio molitor

译  名：塑料降解昆虫黄粉虫中的微塑料生物碎片化和降解动力学

通讯作者：Wen-Xiong Wang

研究机构：esearch Centre for the Oceans and Human Health, City University of Hong Kong Shenzhen Research Institute, Shenzhen 518057, China

期刊：Environmental Science & Technology

时间：2024

黄粉虫肠道具有快速生物降解塑料的能力，但其动力学未知。本文研究了不同微塑料（MPs）：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA）在黄粉虫幼虫中的生物碎片化和降解动力学。使用聚集诱导发射 （AIE） 探针检查MPs 生物降解的肠道反应。研究结果表明，肠道生物碎片化率基本遵循PLA>PE>PVC的顺序。MPs在黄粉虫肠道中存在滞留效应，其中 PVC 需要最长时间才能完全去除/消化。可降解MPs的降解动力学常数（PLA：0.2108 h^–1）显著高于不可降解MPs（PE: 0.0675 h^-1, PVC: 0.0501 h^-1）。黄粉虫幼虫本能地调节了内部消化环境，以响应各种MPs的体内生物降解。摄入 MPs 后，酯酶活性和肠道酸化程度均显着增加。在PLA喂养和PVC喂养的幼虫中，酯酶和酸化水平分别最高。黄粉虫幼虫的高消化酯酶活性和相对较低的酸化水平可能在一定程度上有助于更有效地去除MPs。这项工作为塑料降解昆虫中 MPs 生物碎片化和肠道对体内 MPs 生物降解的响应提供了重要的理解。

塑料的使用导致塑料污染激增，引发担忧。同时，废弃的塑料垃圾可以在自然环境中进一步分解成微塑料（MPs，< 5 mm）和纳米塑料（NPs，1-1000 nm）。产生的微（纳米）塑料可以很容易地被生物体摄入，并因其独特的物理化学性质，沿着食物链转移。可降解塑料，如聚乳酸（PLA），已被用作石油衍生的不可降解塑料的替代品。然而，PLA的广泛使用也导致了MNPs的大量产生。作为新出现的微粒人为污染物，与各种MNP相关的污染和生物毒性引起了更多的生态毒理学和健康问题。

一些昆虫幼虫已被鉴定能够快速摄入和生物降解各种塑料聚合物。Tenebrio molitor（黄粉虫）的幼虫成为研究塑料制品和MPs生物降解的重要模式生物。先前的研究强调，黄粉虫摄入塑料可以在肠道内发生快速降解，这归因于幼虫宿主和肠道微生物的协同生物反应。这种降解的半衰期相对较短，范围为 3.4 至 16.6 小时，具体取决于聚合物类型、结晶度和分子量，这比在细菌和真菌培养物中观察到的降解更快。在通过黄粉虫肠道后，几乎一半的摄入聚合物可以在大约 8 至 24 小时的短保留时间内有效地生物降解和矿化。基于黄粉虫幼虫在生物降解合成聚合物中的卓越表现，欧盟委员会将黄粉虫幼虫介导的塑料生物降解指定为“未来100个激进创新突破”之一。尽管黄粉虫幼虫的超快塑料生物降解已经得到证实， MPs的生物碎片化过程和降解动力学仍然未知。

本文使用荧光标记的 PE、PVC 和 PLA MPs 研究黄粉虫幼虫中不同 MPs 的生物碎裂和降解动力学。本文首次证明，具有不同降解性的MPs在塑料降解无脊椎动物的肠道中表现出明显的滞留效应。与持久性PE和PVC颗粒相比，PLA MPs可能表现出更高的碎裂率、去除效率和释放率。进一步合成了两种功能化的生物相容性荧光探针，使用AIE技术，揭示了肠道反应如何影响塑料降解昆虫中 MPs 的体内生物降解。发现黄粉虫幼虫可以本能地调节其内部消化环境，以响应各种 MPs 的生物降解。研究结果有助于推进对塑料降解无脊椎动物中 MPs 生物碎片、降解动力学以及肠道对体内 MPs 生物降解反应的理解。

1、MPs分子量分布的变化

通过使用凝胶渗透色谱（GPC）的分子量分析证实了聚合物的生物降解和解聚。PE、PVC和PLA中残留聚合物的分子量分布与原始MPs相比发生了显著变化，这些聚合物在通过黄粉虫幼虫的肠道后，PVC和PLA聚合物均表现出向低分子量方向的转变（图1）。相比之下，残留的PE聚合物经历了向更高分子量的轻微转变，这表明了一种典型的有限程度解聚模式，与以前Zophobas atratus和Galleria mellonella幼虫对PS泡沫进行生物降解的报道一致。

图1. GPC分析表征摄入的PE、PVC和PLA MPs在黄粉虫幼虫中的分子量分布变化。

2、黄粉虫幼虫肠道中MPs的生物碎化和滞留效应

使用激光扫描共聚焦显微镜在不同时间间隔（分别为 1、3、6 和 9 小时）对摄入的 MPs 的生物碎片和定位进行成像和可视化。激光共聚焦显微成像显示在摄入 MPs 1 小时后，所有摄入的 MPs 迅速穿过幼虫前肠并进入前中肠部分，这一观察结果证实了黄粉虫幼虫快速消耗荧光标记的MPs的有效能力。从实验的 3 小时开始，在 PE、PVC 和 PLA中都发现了明显的生物碎裂。肠道滞留过程中的生物碎裂速率基本遵循PLA > PE > PVC的顺序，与不可降解 MPs 相比，可降解MPs在塑料降解昆虫幼虫体内的生物碎化更快。第6 小时，在后中肠中检测到碎片化的 PE 和 PVC MPs，在到达后中肠部分之前，已经出现了 MPs 生物碎片。同时，观察到残留的PLA颗粒到达黄粉虫的后肠开始形成碎屑颗粒（排泄物）。与PVC MPs相比，观察到PE MPs的生物碎裂相对较快。第9小时，仍分别在后中肠和后肠中观察到未消化的PVC和PE，PLA的消化过程几乎完成，后肠中只剩下极少的PLA。

图 2. 通过激光扫描共聚焦显微镜观察在不同时间间隔（1、3、6 和 9 小时）摄入的 PE、PVC 和 PLA MPs 的生物碎裂。

进一步研究了使用荧光标记的 MPs 在摄入后 12、24、36、48 和 60 小时的间隔摄入的 MPs 可能的滞留效应。结果显示，与PLA MPs相比，PE和PVC MPs在塑料降解昆虫中的保留率显着更高。在36 小时后，用 PLA 喂养的幼虫肠道样本中均未检测到残留的 PLA MPs，而消除PE 和 PVC MPs 需要长达 48 和 60 小时才能完全净化。PVC MPs完全去除/消化的时间最长。昆虫幼虫对PE聚合物的生物降解产生了多种脂肪族化合物，如直链烷烃、醇和不同链长的脂肪酸，而PVC聚合物的生物降解释放出直链烷烃以及含氯中间体和产物。这些降解化合物不具有生物相容性，可能导致塑料降解无脊椎动物在肠道内的粘性和滞留效应。

图3. 摄入的PE、PVC和PLA MPs在生物降解过程中的保留效果、去除效率和降解动力学。

3、肠道滞留过程中 MPs 的去除和降解动力学

为了评估 PE、PVC 和 PLA MPs 在肠道滞留过程中的去除和降解动力学，本文量化了 MPs 摄入 1 小时后不同时间间隔（1、3、6、9 和 12 小时）肠道中残留塑料的重量（图 3c-e）。结果显示，可降解MPs的降解动力学常数（PLA：0.2108 h^–1）明显高于不可降解MPs（PE: 0.0675 h^-1,PVC: 0.0501 h^-1），进一步证实与不可降解MPs相比，可降解MPs在消化道内的生物碎化和降解速度更快。

4、肠道反应有助于体内 MPs 生物降解

消化酯酶活性对各种MPs的摄入和生物降解表现出有效的反应（图4）。在摄入MPs的幼虫的前中肠和后中肠（主要消化区域）中都观察到酯酶活性水平升高。用MPs喂养的幼虫的酯酶活性显着高于有或没有探针的麸皮喂养对照组的幼虫（p < 0.001）。消化功能酶的浓度和分布在塑料降解昆虫体内的MPs相互作用下发生了显着变化。此外，先前的研究表明，脂肪酶、几丁质酶、单加氧酶、双加氧酶和其他酶可能参与不同聚合物的降解和矿化。未来的研究应侧重于开发高度灵敏的生物相容性探针，以在MPs生物降解过程中直接观察这些酶的浓度和分布。

PLA喂养的幼虫后中肠表现出最高水平的酯酶活性，而PE和PVC MPs喂养的幼虫组的酯酶活性水平基本相当。PLA喂养组后中肠中表现出的最高水平的酯酶活性可能与PLA聚合物在幼虫肠道内的更高降解性、消化率和去除效率有关。后中肠中酯酶活性的值高于前中肠的酯酶活性值，这也表明 MPs 聚合物的快速消化去除和矿化可能在后中肠中相对更明显。这种现象可能归因于摄入的 MPs 在前中肠区域发生的显着生物碎裂，导致当这些颗粒到达后中肠时，产生具有更高比表面积的较小塑料颗粒。因此，消化功能酶（例如酯酶）的相对浓度相应增加，加剧了生物降解和消化去除反应。

本文进一步评估了黄粉虫幼虫中肠道内酸化水平的变化与体内 MPs 生物降解的关系（图 5）。结果表明，黄粉虫幼虫可以本能地调节其在消化系统内的内部环境，以响应各种MPs聚合物的体内生物降解。PVC喂养组的酸化水平最高，明显高于PE喂养和PLA喂养的幼虫（p < 0.005）。严重的肠道酸化可能会阻碍幼虫消化系统内PVC聚合物的去除，并进一步促进含氯中间体的释放。这反过来会降低PVC MPs的去除效率，并导致降解速率常数降低。肠道酸化升高可能会损害肠道稳定性和免疫力，从而增加生物体内对外源性物质或应激因素的易感性。这些影响可能对肠道微生物群有害。另一方面，PVC喂养幼虫中肠后中肠酸化最为明显，显著高于前中肠。这种差异意味着肠道对PVC MPs的消化和生物降解的反应存在异质性，用PE和PLA MPs喂养的幼虫中发现了类似的异质性反应。PLA喂养的幼虫在肠道中的酸化最为温和，可能与黄粉虫幼虫对PLA聚合物的良好消化率和生物相容性有关。高消化酯酶活性和相对较低的酸化水平可能有助于昆虫幼虫内PLA MPs更有效的生物碎裂和降解。

图5. 黄粉虫幼虫肠道酸化的可视化和测定对体内 MPs 生物降解的响应。

这项研究为黄粉虫幼虫体内MPs生物降解相关的生物碎裂过程、降解动力学和肠道反应提供了重要的见解。与持久的 MPs（例如 PE 和 PVC）相比，可降解的 MPs（例如 PLA）可能在塑料降解昆虫幼虫的肠道保留过程中表现出更快的肠道生物碎片化和更高的消化清除效率。塑料降解昆虫 黄粉虫 幼虫中 MPs 的生物碎裂和相互作用在前中肠滞留期间显着发生，导致产生具有更高比表面积和表面反应能的较小尺寸的塑料颗粒，然后进入后中肠进行后续生物降解。最终，未消化的MPs在幼虫后肠中形成碎屑颗粒，然后排泄。同时，所有类型的 MPs在幼虫肠道内始终表现出滞留效应，其中 PVC MPs需要最长的持续时间才能完全去除/消化。

通过应用功能化的生物相容性探针来研究塑料降解昆虫幼虫的肠道反应与MPs的体内生物降解有关，常规消化功能酶的水平和分布随着MPs的生物降解而改变。黄粉虫 幼虫可以本能地调节它们在消化系统内的内部环境（例如，酯酶活性和酸化水平），以响应各种类型 MPs 聚合物的体内生物降解。PLA喂养的幼虫后中肠的酯酶活性水平最高，而PVC喂养的幼虫肠道酸化程度最高。酯酶活性和酸化的内在变化可能有助于 MPs 在肠道保留过程中的消化去除和生物降解。在后中肠和前中肠之间观察到异质性反应。这可以归因于前中肠内 MPs 生物碎片的发生，在进入后中肠之前产生具有更大比表面积的更小的塑料颗粒。