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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(xué)

通訊作者：Wen-Xiong Wang

研究機(jī)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(shí)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(xué)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(xué)。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)。研究結(jié)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(yīng)，其中 PVC 需要最長時(shí)間才能完全去除/消化。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，以響應(yīng)各種MPs的體內(nèi)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(yǎng)和PVC喂養(yǎng)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(xiàng)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。

塑料的使用導(dǎo)致塑料污染激增，引發(fā)擔(dān)憂。同時(shí)，廢棄的塑料垃圾可以在自然環(huán)境中進(jìn)一步分解成微塑料（MPs，< 5 mm）和納米塑料（NPs，1-1000 nm）。產(chǎn)生的微（納米）塑料可以很容易地被生物體攝入，并因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，沿著食物鏈轉(zhuǎn)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(dǎo)致了MNPs的大量產(chǎn)生。作為新出現(xiàn)的微粒人為污染物，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。

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(qiáng)調(diào)，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)。這種降解的半衰期相對較短，范圍為 3.4 至 16.6 小時(shí)，具體取決于聚合物類型、結(jié)晶度和分子量，這比在細(xì)菌和真菌培養(yǎng)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(shí)的短保留時(shí)間內(nèi)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(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(gè)激進(jìn)創(chuàng)新突破”之一。盡管黃粉蟲幼蟲的超快塑料生物降解已經(jīng)得到證實(shí)， 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(biāo)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(xué)。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)。與持久性PE和PVC顆粒相比，PLA MPs可能表現(xiàn)出更高的碎裂率、去除效率和釋放率。進(jìn)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(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。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，以響應(yīng)各種 MPs 的生物降解。研究結(jié)果有助于推進(jìn)對塑料降解無脊椎動物中 MPs 生物碎片、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。

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(shí)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(fā)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(xiàn)出向低分子量方向的轉(zhuǎn)變（圖1）。相比之下，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，與以前Zophobas atratus和Galleria mellonella幼蟲對PS泡沫進(jìn)行生物降解的報(bào)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(yīng)

使用激光掃描共聚焦顯微鏡在不同時(shí)間間隔（分別為 1、3、6 和 9 小時(shí)）對攝入的 MPs 的生物碎片和定位進(jìn)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(shí)后，所有攝入的 MPs 迅速穿過幼蟲前腸并進(jìn)入前中腸部分，這一觀察結(jié)果證實(shí)了黃粉蟲幼蟲快速消耗熒光標(biāo)記的MPs的有效能力。從實(shí)驗(yàn)的 3 小時(shí)開始，在 PE、PVC 和 PLA中都發(fā)現(xiàn)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(nèi)的生物碎化更快。第6 小時(shí)，在后中腸中檢測到碎片化的 PE 和 PVC MPs，在到達(dá)后中腸部分之前，已經(jīng)出現(xiàn)了 MPs 生物碎片。同時(shí)，觀察到殘留的PLA顆粒到達(dá)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(shí)，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(shí)間間隔（1、3、6 和 9 小時(shí)）攝入的 PE、PVC 和 PLA MPs 的生物碎裂。

進(jìn)一步研究了使用熒光標(biāo)記的 MPs 在攝入后 12、24、36、48 和 60 小時(shí)的間隔攝入的 MPs 可能的滯留效應(yīng)。結(jié)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(shí)后，用 PLA 喂養(yǎng)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(dá) 48 和 60 小時(shí)才能完全凈化。PVC MPs完全去除/消化的時(shí)間最長。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，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(chǎn)物。這些降解化合物不具有生物相容性，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、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(xué)。

3、腸道滯留過程中 MPs 的去除和降解動力學(xué)

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(xué)，本文量化了 MPs 攝入 1 小時(shí)后不同時(shí)間間隔（1、3、6、9 和 12 小時(shí)）腸道中殘留塑料的重量（圖 3c-e）。結(jié)果顯示，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(jìn)一步證實(shí)與不可降解MPs相比，可降解MPs在消化道內(nèi)的生物碎化和降解速度更快。

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）。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。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。此外，先前的研究表明，脂肪酶、幾丁質(zhì)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(yīng)側(cè)重于開發(fā)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(yǎng)的幼蟲后中腸表現(xiàn)出最高水平的酯酶活性，而PE和PVC MPs喂養(yǎng)的幼蟲組的酯酶活性水平基本相當(dāng)。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)。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(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，導(dǎo)致當(dāng)這些顆粒到達(dá)后中腸時(shí)，產(chǎn)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(yīng)增加，加劇了生物降解和消化去除反應(yīng)。

本文進(jìn)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）。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，以響應(yīng)各種MPs聚合物的體內(nèi)生物降解。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）。嚴(yán)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，并進(jìn)一步促進(jìn)含氯中間體的釋放。這反過來會降低PVC MPs的去除效率，并導(dǎo)致降解速率常數(shù)降低。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。這些影響可能對腸道微生物群有害。另一方面，PVC喂養(yǎng)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(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)。PLA喂養(yǎng)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(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。

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)。

這項(xiàng)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、降解動力學(xué)和腸道反應(yīng)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(xiàn)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(fā)生，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(jìn)入后中腸進(jìn)行后續(xù)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(shí)，所有類型的 MPs在幼蟲腸道內(nèi)始終表現(xiàn)出滯留效應(yīng)，其中 PVC MPs需要最長的持續(xù)時(shí)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)，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。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），以響應(yīng)各種類型 MPs 聚合物的體內(nèi)生物降解。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。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。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，在進(jìn)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。