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(xué)

通訊作者：Wen-Xiong Wang

研究機構(gòu)：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秃励，但其動力學(xué)未知桂塞。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(xué)州泊。使用聚集誘導(dǎo)發(fā)射 （AIE） 探針檢查MPs 生物降解的腸道反應(yīng)蹂窖。研究結(jié)果表明乍炉，腸道生物碎片化率基本遵循PLA>PE>PVC的順序责球。MPs在黃粉蟲腸道中存在滯留效應(yīng)，其中 PVC 需要最長時間才能完全去除/消化贸典∈勇可降解MPs的降解動力學(xué)常數(shù)（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(diào)節(jié)了內(nèi)部消化環(huán)境廊驼，以響應(yīng)各種MPs的體內(nèi)生物降解据过。攝入 MPs 后，酯酶活性和腸道酸化程度均顯著增加蔬充。在PLA喂養(yǎng)和PVC喂養(yǎng)的幼蟲中蝶俱，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饥漫。這項工作為塑料降解昆蟲中 MPs 生物碎片化和腸道對體內(nèi) MPs 生物降解的響應(yīng)提供了重要的理解榨呆。

塑料的使用導(dǎo)致塑料污染激增庸队，引發(fā)擔(dān)憂积蜻。同時，廢棄的塑料垃圾可以在自然環(huán)境中進一步分解成微塑料（MPs彻消，< 5 mm）和納米塑料（NPs竿拆，1-1000 nm）。產(chǎn)生的微（納米）塑料可以很容易地被生物體攝入宾尚，并因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)丙笋，沿著食物鏈轉(zhuǎn)移』吞可降解塑料御板，如聚乳酸（PLA），已被用作石油衍生的不可降解塑料的替代品牛郑。然而怠肋，PLA的廣泛使用也導(dǎo)致了MNPs的大量產(chǎn)生。作為新出現(xiàn)的微粒人為污染物淹朋，與各種MNP相關(guān)的污染和生物毒性引起了更多的生態(tài)毒理學(xué)和健康問題笙各。

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础芍。先前的研究強調(diào)杈抢，黃粉蟲攝入塑料可以在腸道內(nèi)發(fā)生快速降解，這歸因于幼蟲宿主和腸道微生物的協(xié)同生物反應(yīng)仑性。這種降解的半衰期相對較短春感，范圍為 3.4 至 16.6 小時，具體取決于聚合物類型、結(jié)晶度和分子量鲫懒，這比在細菌和真菌培養(yǎng)物中觀察到的降解更快嫩实。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(nèi)有效地生物降解和礦化窥岩〖紫祝基于黃粉蟲幼蟲在生物降解合成聚合物中的卓越表現(xiàn)，歐盟委員會將黃粉蟲幼蟲介導(dǎo)的塑料生物降解指定為“未來100個激進創(chuàng)新突破”之一颂翼。盡管黃粉蟲幼蟲的超快塑料生物降解已經(jīng)得到證實晃洒， MPs的生物碎片化過程和降解動力學(xué)仍然未知。

本文使用熒光標記的 PE朦乏、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(xué)球及。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(xiàn)出明顯的滯留效應(yīng)呻疹。與持久性PE和PVC顆粒相比吃引，PLA MPs可能表現(xiàn)出更高的碎裂率、去除效率和釋放率刽锤。進一步合成了兩種功能化的生物相容性熒光探針镊尺，使用AIE技術(shù)，揭示了腸道反應(yīng)如何影響塑料降解昆蟲中 MPs 的體內(nèi)生物降解并思。發(fā)現(xiàn)黃粉蟲幼蟲可以本能地調(diào)節(jié)其內(nèi)部消化環(huán)境庐氮，以響應(yīng)各種 MPs 的生物降解。研究結(jié)果有助于推進對塑料降解無脊椎動物中 MPs 生物碎片宋彼、降解動力學(xué)以及腸道對體內(nèi) MPs 生物降解反應(yīng)的理解弄砍。

1输涕、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输枯。PE、PVC和PLA中殘留聚合物的分子量分布與原始MPs相比發(fā)生了顯著變化占贫，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(xiàn)出向低分子量方向的轉(zhuǎn)變（圖1）先口。相比之下型奥，殘留的PE聚合物經(jīng)歷了向更高分子量的輕微轉(zhuǎn)變，這表明了一種典型的有限程度解聚模式碉京，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厢汹。

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谐宙。

2烫葬、黃粉蟲幼蟲腸道中MPs的生物碎化和滯留效應(yīng)

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搭综。激光共聚焦顯微成像顯示在攝入 MPs 1 小時后垢箕，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(jié)果證實了黃粉蟲幼蟲快速消耗熒光標記的MPs的有效能力兑巾。從實驗的 3 小時開始条获，在 PE、PVC 和 PLA中都發(fā)現(xiàn)了明顯的生物碎裂蒋歌。腸道滯留過程中的生物碎裂速率基本遵循PLA > PE > PVC的順序帅掘，與不可降解 MPs 相比，可降解MPs在塑料降解昆蟲幼蟲體內(nèi)的生物碎化更快堂油。第6 小時修档，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府框，已經(jīng)出現(xiàn)了 MPs 生物碎片吱窝。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）寓免。與PVC MPs相比癣诱，觀察到PE MPs的生物碎裂相對較快。第9小時袜香，仍分別在后中腸和后腸中觀察到未消化的PVC和PE撕予，PLA的消化過程幾乎完成，后腸中只剩下極少的PLA蜈首。

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

進一步研究了使用熒光標記的 MPs 在攝入后 12、24踩寇、36啄清、48 和 60 小時的間隔攝入的 MPs 可能的滯留效應(yīng)。結(jié)果顯示俺孙，與PLA MPs相比辣卒，PE和PVC MPs在塑料降解昆蟲中的保留率顯著更高。在36 小時后睛榄，用 PLA 喂養(yǎng)的幼蟲腸道樣本中均未檢測到殘留的 PLA MPs荣茫，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/消化的時間最長场靴。昆蟲幼蟲對PE聚合物的生物降解產(chǎn)生了多種脂肪族化合物啡莉，如直鏈烷烴港准、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(chǎn)物咧欣。這些降解化合物不具有生物相容性浅缸，可能導(dǎo)致塑料降解無脊椎動物在腸道內(nèi)的粘性和滯留效應(yīng)。

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

3蚕礼、腸道滯留過程中 MPs 的去除和降解動力學(xué)

為了評估 PE烟具、PVC 和 PLA MPs 在腸道滯留過程中的去除和降解動力學(xué)，本文量化了 MPs 攝入 1 小時后不同時間間隔（1奠蹬、3朝聋、6、9 和 12 小時）腸道中殘留塑料的重量（圖 3c-e）囤躁。結(jié)果顯示冀痕，可降解MPs的降解動力學(xué)常數(shù)（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相比狸演，可降解MPs在消化道內(nèi)的生物碎化和降解速度更快言蛇。

4、腸道反應(yīng)有助于體內(nèi) 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(xiàn)出有效的反應(yīng)（圖4）宵距。在攝入MPs的幼蟲的前中腸和后中腸（主要消化區(qū)域）中都觀察到酯酶活性水平升高腊尚。用MPs喂養(yǎng)的幼蟲的酯酶活性顯著高于有或沒有探針的麩皮喂養(yǎng)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(nèi)的MPs相互作用下發(fā)生了顯著變化满哪。此外婿斥，先前的研究表明，脂肪酶哨鸭、幾丁質(zhì)酶民宿、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像鸡。未來的研究應(yīng)側(cè)重于開發(fā)高度靈敏的生物相容性探針活鹰，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(yǎng)的幼蟲后中腸表現(xiàn)出最高水平的酯酶活性只估，而PE和PVC MPs喂養(yǎng)的幼蟲組的酯酶活性水平基本相當(dāng)志群。PLA喂養(yǎng)組后中腸中表現(xiàn)出的最高水平的酯酶活性可能與PLA聚合物在幼蟲腸道內(nèi)的更高降解性、消化率和去除效率有關(guān)仅乓。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蓬戚。這種現(xiàn)象可能歸因于攝入的 MPs 在前中腸區(qū)域發(fā)生的顯著生物碎裂夸楣，導(dǎo)致當(dāng)這些顆粒到達后中腸時，產(chǎn)生具有更高比表面積的較小塑料顆粒。因此豫喧，消化功能酶（例如酯酶）的相對濃度相應(yīng)增加石洗，加劇了生物降解和消化去除反應(yīng)。

本文進一步評估了黃粉蟲幼蟲中腸道內(nèi)酸化水平的變化與體內(nèi) MPs 生物降解的關(guān)系（圖 5）讲衫。結(jié)果表明，黃粉蟲幼蟲可以本能地調(diào)節(jié)其在消化系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部環(huán)境孵班，以響應(yīng)各種MPs聚合物的體內(nèi)生物降解涉兽。PVC喂養(yǎng)組的酸化水平最高，明顯高于PE喂養(yǎng)和PLA喂養(yǎng)的幼蟲（p < 0.005）篙程。嚴重的腸道酸化可能會阻礙幼蟲消化系統(tǒng)內(nèi)PVC聚合物的去除枷畏，并進一步促進含氯中間體的釋放。這反過來會降低PVC MPs的去除效率虱饿，并導(dǎo)致降解速率常數(shù)降低拥诡。腸道酸化升高可能會損害腸道穩(wěn)定性和免疫力，從而增加生物體內(nèi)對外源性物質(zhì)或應(yīng)激因素的易感性氮发。這些影響可能對腸道微生物群有害渴肉。另一方面，PVC喂養(yǎng)幼蟲中腸后中腸酸化最為明顯爽冕，顯著高于前中腸仇祭。這種差異意味著腸道對PVC MPs的消化和生物降解的反應(yīng)存在異質(zhì)性，用PE和PLA MPs喂養(yǎng)的幼蟲中發(fā)現(xiàn)了類似的異質(zhì)性反應(yīng)扇售。PLA喂養(yǎng)的幼蟲在腸道中的酸化最為溫和前塔，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(guān)。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(nèi)PLA MPs更有效的生物碎裂和降解承冰。

圖5. 黃粉蟲幼蟲腸道酸化的可視化和測定對體內(nèi) MPs 生物降解的響應(yīng)华弓。

這項研究為黃粉蟲幼蟲體內(nèi)MPs生物降解相關(guān)的生物碎裂過程困乒、降解動力學(xué)和腸道反應(yīng)提供了重要的見解寂屏。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(xiàn)出更快的腸道生物碎片化和更高的消化清除效率娜搂。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(fā)生迁霎，導(dǎo)致產(chǎn)生具有更高比表面積和表面反應(yīng)能的較小尺寸的塑料顆粒，然后進入后中腸進行后續(xù)生物降解百宇。最終考廉，未消化的MPs在幼蟲后腸中形成碎屑顆粒，然后排泄携御。同時昌粤，所有類型的 MPs在幼蟲腸道內(nèi)始終表現(xiàn)出滯留效應(yīng)既绕，其中 PVC MPs需要最長的持續(xù)時間才能完全去除/消化。

通過應(yīng)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(yīng)與MPs的體內(nèi)生物降解有關(guān)涮坐，常規(guī)消化功能酶的水平和分布隨著MPs的生物降解而改變凄贩。黃粉蟲 幼蟲可以本能地調(diào)節(jié)它們在消化系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部環(huán)境（例如，酯酶活性和酸化水平）袱讹，以響應(yīng)各種類型 MPs 聚合物的體內(nèi)生物降解疲扎。PLA喂養(yǎng)的幼蟲后中腸的酯酶活性水平最高，而PVC喂養(yǎng)的幼蟲腸道酸化程度最高捷雕。酯酶活性和酸化的內(nèi)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椒丧。在后中腸和前中腸之間觀察到異質(zhì)性反應(yīng)。這可以歸因于前中腸內(nèi) MPs 生物碎片的發(fā)生非区，在進入后中腸之前產(chǎn)生具有更大比表面積的更小的塑料顆粒瓜挽。