多项研究已报道了黄粉虫（mealworms）及其他昆虫对通用塑料（commodity plastics）的生物降解作用。在本研究中，研究人员比较了可生物降解塑料聚羟基脂肪酸酯（PHA）与几种通用塑料的不可消化性与生物降解情况。此外，研究人员还考察了黄粉虫对不同塑料类型的偏好及其对幼虫生长的影响。同时，对粪便进行了定量，并分析了其中微塑料的存在情况。研究人员以9 cm长的塑料薄膜作为唯一食物饲喂黄粉虫21天，这些塑料包括：低密度聚乙烯（LDPE，垃圾桶内衬袋和一次性塑料袋）、高密度聚乙烯（HDPE，购物袋）、淀粉基一次性塑料袋，以及三种不同的PHA：聚(3-羟基丁酸酯) [P(3HB)]、聚(3HB-co-11 mol% 3-羟基己酸酯) [11 mol% HHx]、聚(3HB-co-18 mol% 3-羟基己酸酯) [18 mol% HHx]和聚(3HB-co-27 mol% 3-羟基己酸酯) [27 mol% HHx]。燕麦饮食作为对照。为检测具有PHA降解能力的细菌，将黄粉虫肠道内容物涂布于PHA琼脂平板上。黄粉虫的摄食能力受塑料类型的显著影响。黄粉虫分别在6小时、7天、7天和15天内完全摄食了淀粉基薄膜、11 mol% HHx、18 mol% HHx和27 mol% HHx薄膜。垃圾桶内衬袋、P(3HB)和一次性塑料袋分别被稳定摄食了68%、83%和85%，而购物袋则未被取食。从第1天开始的幼虫体重下降表明，长期的单一塑料饮食不支持黄粉虫的生长，尽管同类相食可能影响生存结果。幼虫粪便中排出的塑料在光学显微镜下可见，气相色谱分析显示摄入的含HHx的PHA几乎完全回收。PHA薄膜的重均分子量（Mw）降低了13%至35%，表明聚合物在肠道通过过程中经历了理化修饰，可能涉及机械和生物双重过程。
研究背景与意义
随着1950年石油基塑料的首次商业化生产，全球塑料产量预计到2050年将达到约330亿吨，目前已累计生产约83亿吨。主要生产的塑料聚合物包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PUR）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯（PS）。其中，PE是一种由乙烯单体[(CH2 −CH2 )n]衍生的热塑性聚合物，广泛用于生产低密度聚乙烯（LDPE）和高密度聚乙烯（HDPE）产品。LDPE具有支化分子链，阻碍其紧密堆积成结晶结构，而HDPE分支极少或无分支，使分子紧密堆叠并形成强分子间作用力。塑料因其低成本、耐久性及良好的机械和热性能被广泛用于家居产品、医疗、包装、服装及购物和垃圾袋中。然而，塑料对环境和微生物群的负面影响日益引起关注。例如，PE对自然降解具有很强的抵抗力，可在环境中 persistence 数年，这归因于其稳定的C–H和C–C共价键、高分子量、疏水性以及缺乏易水解或氧化的官能团。传统的塑料废物处理方法（如回收、填埋和焚烧）存在显著缺陷。石油基塑料极难被微生物降解或降解速度极慢，导致宏观和微塑料污染。微塑料（尺寸1 μm至5 mm）主要来源于陆地和海洋环境中较大塑料的破碎，其在土壤中的浓度估计是海洋中的4至23倍，并对土壤健康、植物生长及蚯蚓等土壤生物的影响已有充分记载。
鉴于石油基塑料对生态系统的重大威胁，生物基和可生物降解聚合物日益受到关注。“生物基”指源自生物物质的物质，“可生物降解”指在特定环境条件下可被微生物分解为二氧化碳、水和生物质（依据ASTM D6400和EN 13432标准）。最常见的生物基聚合物包括聚乳酸（PLA）、淀粉基塑料和聚羟基脂肪酸酯（PHA）。PHA是一种无毒、水不溶性的细胞内颗粒（直径通常0.2-0.5 μm），作为微生物细胞质中的能量储备。PHA在氧、氮、磷或硫受限并结合过量碳源的条件下合成。从细菌细胞中提取PHA的常用方法包括溶剂萃取、化学处理、洗涤剂、酶消化和机械破碎，近来基于PHA在大鼠胃肠道（GIT）中不可消化的发现，一种非常规、可持续且经济的方法“生物回收”受到关注。当喂食含有聚(3-羟基丁酸酯) [P(3HB)]颗粒的冻干细菌细胞时，实验室大鼠（Sprague Dawley）和黄粉虫（Tenebrio molitor）将细菌细胞成分作为营养代谢，同时在粪便中排出100%的P(3HB)颗粒。P(3HB)是PHA的一种刚性且脆性的形式。一般而言，PHA作为可生物降解塑料已被广泛研究，有望替代某些石油基塑料。将3-羟基己酸酯（3HHx）单元引入聚(3-羟基丁酸酯) [P(3HB)]均聚物中产生P(3HB-co-3HHx)，这是一种更柔韧的PHA共聚物，被认为是最有希望替代低密度聚乙烯（LDPE）的材料之一。PHA具有广泛的应用，包括包装、涂层、医疗和卫生用品、纤维、粘合剂和医用缝合线，且PHA基产品具有生物相容性，可通过自然微生物矿化完全生物降解。
塑料生物降解通常被描述为两个阶段：首先，微生物分泌胞外酶将聚合物链解聚为较短的寡聚物或单体；这些中间体随后被代谢，并在有氧条件下矿化为二氧化碳（CO2 ）和水（H2 O），厌氧降解可能产生甲烷（CH4 ）。然而，塑料的生物降解性受材料组成的显著影响。掺入添加剂、稳定剂或与不可生物降解组分共混等改性可增强耐久性，但降低对微生物降解的敏感性，在某些情况下，这些添加剂可能抑制微生物活性，从而减缓降解过程。昆虫（如大麦虫、毛毛虫和黄粉虫 Tenebrio molitor）与各种塑料材料相互作用并摄食的能力已被广泛报道。多项研究表明，黄粉虫可消耗聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和发泡聚苯乙烯（泡沫塑料）等聚合物，部分报道提出其部分转化为二氧化碳（CO2 ）和其他代谢物。类似地，也有描述黄粉虫降解聚氨酯（PU）、聚乳酸（PLA）和聚氯乙烯（PVC）的能力。然而，这些解释仍存在激烈争论。最近的研究质疑此类观察在多大程度上代表真正的生物降解，认为昆虫系统中明显的塑料降解可能主要源于机械破碎、添加剂介导的氧化以及同类相食和营养循环等实验假象。这些问题尤其适用于聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和PVC等常规碳-碳骨架塑料，其酶促主链断裂仍缺乏确凿证据。相比之下，PHA、PLA和某些聚氨酯材料等可水解聚合物由于存在化学不稳定的键，固有地更容易受到理化和生物降解的影响。这些发现进一步强调，塑料的摄食和物理修饰并不一定等同于完全的生物降解或矿化。
因此，本研究旨在区分黄粉虫对聚羟基脂肪酸酯（PHA）、低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）和淀粉基塑料薄膜的摄食、理化修饰和潜在的生物降解。具体而言，研究评估了黄粉虫对不同塑料类型的消耗、其对幼虫体重的影响，以及排出残留物的数量和特征。该论文发表在《Polymer Degradation and Stability》期刊上。
主要关键技术方法
研究人员获取黄粉虫（Tenebrio molitor）幼虫（1.1 ± 0.1 cm），于30 ± 1°C和相对湿度65 ± 5%下饲养。测试前，幼虫用燕麦饲喂一周，然后饥饿24小时以清除先前食物。每容器（17 × 11.3 × 7.3 cm）使用约10 g幼虫（平均个体重约35 mg）饲喂不同塑料薄膜。塑料薄膜包括：9 cm长的LDPE（垃圾桶内衬袋和一次性塑料袋）、HDPE（购物袋）、淀粉基一次性塑料袋，以及PHA薄膜：P(3HB)、P(3HB-co-11 mol% 3HHx)、P(3HB-co-18 mol% 3HHx)和P(3HB-co-27 mol% 3HHx)。燕麦饮食作为对照。饲喂期为21天。为检测PHA降解细菌，将黄粉虫肠道内容物涂布于PHA琼脂平板。监测塑料薄膜的重量损失、官能团变化和分子量变化以评估降解。利用光学显微镜观察幼虫粪便中的塑料，并采用气相色谱（GC）分析摄入的含HHx的PHA的回收率，通过分子量（Mw）变化分析聚合物在肠道通过中的理化修饰。
研究结果
Mealworms and feedstocks（黄粉虫与原料）
研究人员描述了实验所用黄粉虫的来源、饲养条件及塑料薄膜样本的准备情况，明确了不同塑料类型（包括LDPE、HDPE、淀粉基塑料及不同组成的PHA薄膜）作为唯一饮食的饲喂设置，并以燕麦饮食作为对照，为后续摄食和降解评估奠定了基础。
Results and Discussion（结果与讨论）
研究人员通过监测重量损失、官能团变化和分子量变化，评估了黄粉虫对塑料薄膜的降解情况。结果显示，黄粉虫的摄食能力显著受塑料类型影响：淀粉基薄膜、11 mol% HHx、18 mol% HHx和27 mol% HHx薄膜分别在6小时、7天、7天和15天内被完全摄食；垃圾桶内介袋、P(3HB)和一次性塑料袋分别被稳定摄食68%、83%和85%；HDPE购物袋未被取食。幼虫体重从第1天开始下降，表明长期单一塑料饮食不支持生长，同类相食可能影响生存。粪便中可见排出的塑料颗粒，气相色谱分析揭示摄入的含HHx的PHA近完全回收。PHA薄膜的重均分子量（Mw）降低13%至35%，表明聚合物在肠道通过中经历了理化修饰，可能涉及机械和生物过程。研究人员还指出，塑料消耗不等于生物降解，排出粪便中的塑料主要为未降解或仅经物理化学修饰的状态。
Conclusions（结论）
本研究对黄粉虫摄食和理化修饰不同塑料薄膜（淀粉基、PHA、LDPE和HDPE）进行了比较评估。除HDPE外，所有塑料薄膜均以不同速率被摄食，顺序为：淀粉基 > PHA > LDPE。研究结果提供有力证据，表明塑料薄膜未被降解，而是在黄粉虫粪便中被排出和回收。这表明黄粉虫消耗塑料有助于微塑料的生成。研究人员强调，摄食和物理化学修饰并不等同于完整的生物降解或矿化，尤其对于碳-碳骨架塑料如PE，真正的酶促降解仍需进一步验证。
讨论部分总结
研究人员在讨论中重申，虽然黄粉虫能够摄食多种塑料，但本研究的证据支持塑料主要通过物理破碎和可能的轻微理化修饰（如分子量降低）通过肠道，而非被彻底生物降解为CO2 和水。特别是针对PHA类可水解聚合物，虽有一定程度的分子链变化，但近乎完全的回收率说明其主要以原型或微塑料形式排出。对于LDPE和HDPE等聚烯烃，摄食程度各异，HDPE甚至不被取食，进一步说明塑料的物理化学性质（如结晶度、分支结构）显著影响昆虫的摄食意愿和能力。研究者也承认同类相食可能影响幼虫存活和体重结果，长期单一塑料饮食不适合生长。最后，研究人员指出，将昆虫摄食等同于环境友好的生物降解需谨慎，未来研究应结合更精确的矿化追踪和肠道微生物功能分析，以明确真正的生物降解贡献。
翻译研究结论部分
本研究对黄粉虫摄食和理化修饰不同塑料薄膜（淀粉基、PHA、LDPE和HDPE）进行了比较评估。除HDPE外，所有塑料薄膜均以不同速率被摄食，顺序为：淀粉基 > PHA > LDPE。我们的研究结果提供有力证据，表明塑料薄膜未被降解，而是被排出并回收于黄粉虫粪便中。这表明黄粉虫对塑料的消耗促进了微塑料的产生。
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