每年，全球塑料產量高達數億噸，其中大部分最終成為垃圾，污染我們的土壤、水體和海洋。塑料垃圾不僅破壞自然景觀，還威脅野生動植物的生存，甚至通過食物鏈影響人類健康。盡管有回收和物理化學方法處理塑料廢物，但這些方法往往效率低下，成本高昂。

2024年9月的一項突破性研究顯示，杜比亞蟑螂能夠高效生物降解聚苯乙烯（PS）塑料。這些蟑螂能消化攝入的46.6%的PS，并且對分子量高達1百萬Da的PS塑料表現出優越的生物降解能力。當蟑螂攝入PS塑料時，其腸道中的塑料降解細菌數量會增加，這些微生物通過分泌酶來分解塑料；

此外，蟑螂本身的基因表達也會發生變化，上調與消化酶相關的基因，以適應塑料降解的過程。該研究的主要目的是評估杜比亞蟑螂對PS塑料的生物降解能力，并探索其背后的微生物和分子機制。

1、 生物降解能力：

杜比亞蟑螂能夠降解分子量高達1百萬Da的PS塑料，且在15天內內能消化攝入的PS的46.6%。杜比亞蟑螂對PS的去除效率與已報道的PS降解昆蟲如大麥蟲相當，但高于同樣生物降解PS聚合物的大型無脊椎陸地蝸牛。

2、同位素分析：

C值反映了PS樣品中13C與12C的比值，表明了含碳化合物的生物降解程度，糞便中殘留PS的δ13C值發生了顯著變化，Δδ13C為2.28±0.10‰，與T. molitor幼蟲生物降解PS聚合物(Δδ13C為3.49?3.70‰)觀察到的結果相似，表明PS塑料在杜比亞蟑螂腸道內發生了生物降解。

3、分子量變化：

GPC分析顯示，通過蟑螂腸道后，Mn、 Mw和PDI（聚集度指數）發生了顯著變化。對于喂食低MW的蟑螂，Mn顯著降低了17.17%、 29.62%和32.46%， Mw也分別顯著降低了23.11%、 25.34%和16.85%；飼喂高MW (Mw > 524.0 kDa)的蟑螂，Mn分別顯著降低24.93%和36.66%。而5個實驗組中的pdi均增加，說明殘留PS因生物降解而MW分布的寬度增加。

4、官能團變化：

FTIR分析揭示了PS塑料表面形成了新的官能團，在3500-3300cm-1處發現了一個新的羥基官能團，表明塑料發生了氧化。

5、熱穩定性變化：

TGA分析顯示，糞便中產生了三個新的熱失重溫度，表明糞便中 PS的熱穩定性發生了變化，即其結構發生了改變，糞便中含有PS和生物降解產生的新成分。

6、微生物群落變化：

杜比亞蟑螂腸道中的微生物群落在攝入PS塑料后發生了顯著變化，表明腸道微生物參與了PS的降解，群落結構分析發現，在以PS為食的蟑螂中，主要為乳球菌(0 ~ 8.53%)、 假單胞菌(0.79% ~ 4.07%)、馬賽菌(0 ~ 4.39%)、 棘葉桿菌(0 ~ 2.95%)、單胞菌(0 ~ 1.52%)和不動桿菌(0 ~ 1.23%)。腸道微生物群落可迅速適應PS塑料，并逐步形成了新的PS降解微生物群落。飼喂不同MW 的PS的會使得腸道菌群的變化不同，并且也可能產生不同的代謝物。

7、PS降解過程中杜比亞蟑螂轉錄組分析：

通過轉錄組學分析間接檢測寄主蟑螂對PS消化。使用喂食PS (psD15)和正常食物(CD15)的杜比亞蟑螂腸道樣本進行分析。基因表達熱圖顯示psD15和CD15基因之間存在顯著差異。篩選發現10,709個差異表達的上調基因和下調基因。上調基因大多數參與能量產生(氧化磷酸化、有氧呼吸和電子傳遞鏈)、 酶活性(氧化還原酶、細胞色素氧化酶、NADH脫氫酶)和細胞組分(呼吸鏈復合物、細胞色素復合物和線粒體內膜)。對上調基因(BH2UP)進行的iPath通路分析揭示了苯乙烯代謝通路、β氧化、三羧酸循環和氧化磷酸化。表明飼喂PS提高了宿主能量產生，并且增加了PS降解酶，，表明PS在被宿主分泌酶和腸道微生物降解后是蟑螂的電子供體。并且不同MW PS引起基因的差異上調，導致酶功能的富集、水解酶和氧化酶水平的變化，從而導致氧化和代謝過程的變化。PS的MW越高，降解程度越小。

8、提出杜比亞蟑螂中 PS 降解的途徑：

結合基因組學、轉錄組學和代謝物分析的結果，研究表明杜比亞蟑螂的PS生物降解涉及蟑螂宿主和腸道菌群介導的共生消化反應，其中多種酶和蛋白質參與了PS的生物降解和中間產物的代謝。杜比亞蟑螂中PS生物降解的假定途徑為：在進食活動中， 蟑螂通過口器咀嚼和攝入PS MPs，并吸收氧氣。由于咀嚼活動，攝入的PS變成更小的微米大小的顆粒。PS聚合物鏈通過一系列可能由細胞色素P450相關氧化酶、醇脫氫酶、酯酶和醛脫氫酶催化的酶促反應被氧化分解成短鏈氧化產物，通過Py-GC/MS分析檢測到C4-C36中間體。脂肪酸通過酰基輔酶a合成酶轉運成β-氧化和2-芐基-3-羥基丙烷酸通過苯乙烯代謝途徑進入三羧酸循環，最終經歷氧化磷酸化，并通過膜結合呼吸鏈復合體產生能量。

杜比亞蟑螂能夠降解PS塑料，而且其腸道微生物和宿主基因在這一過程中發揮了重要作用。這項研究為利用生物方法處理塑料污染提供了新的見解，并為未來的研究和應用奠定了基礎。研究人員在實驗室中進行了一系列的實驗，以驗證杜比亞蟑螂降解塑料的能力。他們發現，不同分子量的PS塑料在蟑螂腸道中表現出不同的降解模式。通過這項研究，杜比亞蟑螂加入到PS塑料降解生物名單中，為研究環境中降解塑料的昆蟲和塑料垃圾的命運開辟了一個新的方向。利用杜比亞蟑螂進行生物治理塑料污染，可能是一種既環保又經濟的方法。與傳統的塑料處理方法相比，這種方法不會產生有害的副產品，而且成本可能更低。

杜比亞蟑螂的發現為我們提供了一種新的視角來看待塑料污染問題。這些小小的清潔工可能在塑料垃圾的生物降解中發揮重要作用。隨著研究的深入，未來可能會發現更多能夠協助我們對抗塑料污染的生物盟友。在這場對抗塑料污染的戰斗中，杜比亞蟑螂可能只是眾多潛在解決方案中的一種。但它們的故事提醒我們，即使是最小的生物也可能蘊含著解決大問題的潛力。