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

譯  名：塑料降解昆蟲黃粉蟲中的微塑料生物碎片化和降解動力學

通訊作者：Wen-Xiong Wang

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

期刊：Environmental Science & Technology

時間：2024

黃粉蟲腸道具有快速生物降解塑料的能力，但其動力學未知。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）在黃粉蟲幼蟲中的生物碎片化和降解動力學。使用聚集誘導發射 （AIE） 探針檢查MPs 生物降解的腸道反應。研究結果表明，腸道生物碎片化率基本遵循PLA>PE>PVC的順序。MPs在黃粉蟲腸道中存在滯留效應，其中 PVC 需要最長時間才能完全去除/消化。可降解MPs的降解動力學常數（PLA：0.2108 h^–1）顯著高于不可降解MPs（PE: 0.0675 h^-1, PVC: 0.0501 h^-1）。黃粉蟲幼蟲本能地調節了內部消化環境，以響應各種MPs的體內生物降解。攝入 MPs 后，酯酶活性和腸道酸化程度均顯著增加。在PLA喂養和PVC喂養的幼蟲中，酯酶和酸化水平分別最高。黃粉蟲幼蟲的高消化酯酶活性和相對較低的酸化水平可能在一定程度上有助于更有效地去除MPs。這項工作為塑料降解昆蟲中 MPs 生物碎片化和腸道對體內 MPs 生物降解的響應提供了重要的理解。

塑料的使用導致塑料污染激增，引發擔憂。同時，廢棄的塑料垃圾可以在自然環境中進一步分解成微塑料（MPs，< 5 mm）和納米塑料（NPs，1-1000 nm）。產生的微（納米）塑料可以很容易地被生物體攝入，并因其獨特的物理化學性質，沿著食物鏈轉移。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的廣泛使用也導致了MNPs的大量產生。作為新出現的微粒人為污染物，與各種MNP相關的污染和生物毒性引起了更多的生態毒理學和健康問題。

一些昆蟲幼蟲已被鑒定能夠快速攝入和生物降解各種塑料聚合物。Tenebrio molitor（黃粉蟲）的幼蟲成為研究塑料制品和MPs生物降解的重要模式生物。先前的研究強調，黃粉蟲攝入塑料可以在腸道內發生快速降解，這歸因于幼蟲宿主和腸道微生物的協同生物反應。這種降解的半衰期相對較短，范圍為 3.4 至 16.6 小時，具體取決于聚合物類型、結晶度和分子量，這比在細菌和真菌培養物中觀察到的降解更快。在通過黃粉蟲腸道后，幾乎一半的攝入聚合物可以在大約 8 至 24 小時的短保留時間內有效地生物降解和礦化。基于黃粉蟲幼蟲在生物降解合成聚合物中的卓越表現，歐盟委員會將黃粉蟲幼蟲介導的塑料生物降解指定為“未來100個激進創新突破”之一。盡管黃粉蟲幼蟲的超快塑料生物降解已經得到證實， MPs的生物碎片化過程和降解動力學仍然未知。

本文使用熒光標記的 PE、PVC 和 PLA MPs 研究黃粉蟲幼蟲中不同 MPs 的生物碎裂和降解動力學。本文首次證明，具有不同降解性的MPs在塑料降解無脊椎動物的腸道中表現出明顯的滯留效應。與持久性PE和PVC顆粒相比，PLA MPs可能表現出更高的碎裂率、去除效率和釋放率。進一步合成了兩種功能化的生物相容性熒光探針，使用AIE技術，揭示了腸道反應如何影響塑料降解昆蟲中 MPs 的體內生物降解。發現黃粉蟲幼蟲可以本能地調節其內部消化環境，以響應各種 MPs 的生物降解。研究結果有助于推進對塑料降解無脊椎動物中 MPs 生物碎片、降解動力學以及腸道對體內 MPs 生物降解反應的理解。

1、MPs分子量分布的變化

通過使用凝膠滲透色譜（GPC）的分子量分析證實了聚合物的生物降解和解聚。PE、PVC和PLA中殘留聚合物的分子量分布與原始MPs相比發生了顯著變化，這些聚合物在通過黃粉蟲幼蟲的腸道后，PVC和PLA聚合物均表現出向低分子量方向的轉變（圖1）。相比之下，殘留的PE聚合物經歷了向更高分子量的輕微轉變，這表明了一種典型的有限程度解聚模式，與以前Zophobas atratus和Galleria mellonella幼蟲對PS泡沫進行生物降解的報道一致。

圖1. GPC分析表征攝入的PE、PVC和PLA MPs在黃粉蟲幼蟲中的分子量分布變化。

2、黃粉蟲幼蟲腸道中MPs的生物碎化和滯留效應

使用激光掃描共聚焦顯微鏡在不同時間間隔（分別為 1、3、6 和 9 小時）對攝入的 MPs 的生物碎片和定位進行成像和可視化。激光共聚焦顯微成像顯示在攝入 MPs 1 小時后，所有攝入的 MPs 迅速穿過幼蟲前腸并進入前中腸部分，這一觀察結果證實了黃粉蟲幼蟲快速消耗熒光標記的MPs的有效能力。從實驗的 3 小時開始，在 PE、PVC 和 PLA中都發現了明顯的生物碎裂。腸道滯留過程中的生物碎裂速率基本遵循PLA > PE > PVC的順序，與不可降解 MPs 相比，可降解MPs在塑料降解昆蟲幼蟲體內的生物碎化更快。第6 小時，在后中腸中檢測到碎片化的 PE 和 PVC MPs，在到達后中腸部分之前，已經出現了 MPs 生物碎片。同時，觀察到殘留的PLA顆粒到達黃粉蟲的后腸開始形成碎屑顆粒（排泄物）。與PVC MPs相比，觀察到PE MPs的生物碎裂相對較快。第9小時，仍分別在后中腸和后腸中觀察到未消化的PVC和PE，PLA的消化過程幾乎完成，后腸中只剩下極少的PLA。

圖 2. 通過激光掃描共聚焦顯微鏡觀察在不同時間間隔（1、3、6 和 9 小時）攝入的 PE、PVC 和 PLA MPs 的生物碎裂。

進一步研究了使用熒光標記的 MPs 在攝入后 12、24、36、48 和 60 小時的間隔攝入的 MPs 可能的滯留效應。結果顯示，與PLA MPs相比，PE和PVC MPs在塑料降解昆蟲中的保留率顯著更高。在36 小時后，用 PLA 喂養的幼蟲腸道樣本中均未檢測到殘留的 PLA MPs，而消除PE 和 PVC MPs 需要長達 48 和 60 小時才能完全凈化。PVC MPs完全去除/消化的時間最長。昆蟲幼蟲對PE聚合物的生物降解產生了多種脂肪族化合物，如直鏈烷烴、醇和不同鏈長的脂肪酸，而PVC聚合物的生物降解釋放出直鏈烷烴以及含氯中間體和產物。這些降解化合物不具有生物相容性，可能導致塑料降解無脊椎動物在腸道內的粘性和滯留效應。

圖3. 攝入的PE、PVC和PLA MPs在生物降解過程中的保留效果、去除效率和降解動力學。

3、腸道滯留過程中 MPs 的去除和降解動力學

為了評估 PE、PVC 和 PLA MPs 在腸道滯留過程中的去除和降解動力學，本文量化了 MPs 攝入 1 小時后不同時間間隔（1、3、6、9 和 12 小時）腸道中殘留塑料的重量（圖 3c-e）。結果顯示，可降解MPs的降解動力學常數（PLA：0.2108 h^–1）明顯高于不可降解MPs（PE: 0.0675 h^-1,PVC: 0.0501 h^-1），進一步證實與不可降解MPs相比，可降解MPs在消化道內的生物碎化和降解速度更快。

4、腸道反應有助于體內 MPs 生物降解

消化酯酶活性對各種MPs的攝入和生物降解表現出有效的反應（圖4）。在攝入MPs的幼蟲的前中腸和后中腸（主要消化區域）中都觀察到酯酶活性水平升高。用MPs喂養的幼蟲的酯酶活性顯著高于有或沒有探針的麩皮喂養對照組的幼蟲（p < 0.001）。消化功能酶的濃度和分布在塑料降解昆蟲體內的MPs相互作用下發生了顯著變化。此外，先前的研究表明，脂肪酶、幾丁質酶、單加氧酶、雙加氧酶和其他酶可能參與不同聚合物的降解和礦化。未來的研究應側重于開發高度靈敏的生物相容性探針，以在MPs生物降解過程中直接觀察這些酶的濃度和分布。

PLA喂養的幼蟲后中腸表現出最高水平的酯酶活性，而PE和PVC MPs喂養的幼蟲組的酯酶活性水平基本相當。PLA喂養組后中腸中表現出的最高水平的酯酶活性可能與PLA聚合物在幼蟲腸道內的更高降解性、消化率和去除效率有關。后中腸中酯酶活性的值高于前中腸的酯酶活性值，這也表明 MPs 聚合物的快速消化去除和礦化可能在后中腸中相對更明顯。這種現象可能歸因于攝入的 MPs 在前中腸區域發生的顯著生物碎裂，導致當這些顆粒到達后中腸時，產生具有更高比表面積的較小塑料顆粒。因此，消化功能酶（例如酯酶）的相對濃度相應增加，加劇了生物降解和消化去除反應。

本文進一步評估了黃粉蟲幼蟲中腸道內酸化水平的變化與體內 MPs 生物降解的關系（圖 5）。結果表明，黃粉蟲幼蟲可以本能地調節其在消化系統內的內部環境，以響應各種MPs聚合物的體內生物降解。PVC喂養組的酸化水平最高，明顯高于PE喂養和PLA喂養的幼蟲（p < 0.005）。嚴重的腸道酸化可能會阻礙幼蟲消化系統內PVC聚合物的去除，并進一步促進含氯中間體的釋放。這反過來會降低PVC MPs的去除效率，并導致降解速率常數降低。腸道酸化升高可能會損害腸道穩定性和免疫力，從而增加生物體內對外源性物質或應激因素的易感性。這些影響可能對腸道微生物群有害。另一方面，PVC喂養幼蟲中腸后中腸酸化最為明顯，顯著高于前中腸。這種差異意味著腸道對PVC MPs的消化和生物降解的反應存在異質性，用PE和PLA MPs喂養的幼蟲中發現了類似的異質性反應。PLA喂養的幼蟲在腸道中的酸化最為溫和，可能與黃粉蟲幼蟲對PLA聚合物的良好消化率和生物相容性有關。高消化酯酶活性和相對較低的酸化水平可能有助于昆蟲幼蟲內PLA MPs更有效的生物碎裂和降解。

圖5. 黃粉蟲幼蟲腸道酸化的可視化和測定對體內 MPs 生物降解的響應。

這項研究為黃粉蟲幼蟲體內MPs生物降解相關的生物碎裂過程、降解動力學和腸道反應提供了重要的見解。與持久的 MPs（例如 PE 和 PVC）相比，可降解的 MPs（例如 PLA）可能在塑料降解昆蟲幼蟲的腸道保留過程中表現出更快的腸道生物碎片化和更高的消化清除效率。塑料降解昆蟲 黃粉蟲 幼蟲中 MPs 的生物碎裂和相互作用在前中腸滯留期間顯著發生，導致產生具有更高比表面積和表面反應能的較小尺寸的塑料顆粒，然后進入后中腸進行后續生物降解。最終，未消化的MPs在幼蟲后腸中形成碎屑顆粒，然后排泄。同時，所有類型的 MPs在幼蟲腸道內始終表現出滯留效應，其中 PVC MPs需要最長的持續時間才能完全去除/消化。

通過應用功能化的生物相容性探針來研究塑料降解昆蟲幼蟲的腸道反應與MPs的體內生物降解有關，常規消化功能酶的水平和分布隨著MPs的生物降解而改變。黃粉蟲 幼蟲可以本能地調節它們在消化系統內的內部環境（例如，酯酶活性和酸化水平），以響應各種類型 MPs 聚合物的體內生物降解。PLA喂養的幼蟲后中腸的酯酶活性水平最高，而PVC喂養的幼蟲腸道酸化程度最高。酯酶活性和酸化的內在變化可能有助于 MPs 在腸道保留過程中的消化去除和生物降解。在后中腸和前中腸之間觀察到異質性反應。這可以歸因于前中腸內 MPs 生物碎片的發生，在進入后中腸之前產生具有更大比表面積的更小的塑料顆粒。