利用黄粉虫生物降解聚乳酸塑料：一种可持续的废弃物资源化利用途径

彭博宇，陈志彬，陈家斌，周雪飞，吴唯民，张亚雷

（1.同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；2.斯坦福大学土木与环境工程系斯坦福大学Codiga资源回收中心，美国 斯坦福 CA 94305-4020）

译者：彭博宇；审查：吴唯民；单位：同济大学，斯坦福大学

1 研究亮点

*黄粉虫消化聚乳酸塑料在24 d内能维持其正常生命活动但需要麦麸支持长期生长；

*红外光谱、热裂解分析及物料恒算结果确证了黄粉虫能够生物降解聚乳酸，其摄入的聚乳酸在12～24 h内通过肠道后去除率在81.5%以上；

*聚乳酸+麦麸混合饲料（聚乳酸占比20%）喂养的黄粉虫生物质增量最大；

*摄入聚乳酸后，黄粉虫肠道菌群多样性下降，群落结构发生变化。

2 背景

聚乳酸是目前产量最大的可生物降解塑料，但在自然条件下降解相对缓慢，其回收利用是亟需解决的问题。黄粉虫是生产昆虫蛋白的重要经济昆虫，具有降解多种难降解塑料的能力，但迄今未证实其能否降解聚乳酸塑料。本研究旨在明确黄粉虫生物降解聚乳酸塑料的可行性，探讨聚乳酸塑料废弃物的资源化利用途径，探索提高黄粉虫生物质产量的聚乳酸添加比例，并研究消化降解聚乳酸对肠道菌群影响。

3 研究方法

将黄粉虫在7种喂养条件下进行24 d饲养实验：投食聚乳酸微塑料（尺寸＜100μm）、投食聚乳酸+麦麸混合饲料（聚乳酸质量占比分别为10%、20%、30%、50%）、投食麦麸与饥饿对照，测定黄粉虫对不同聚乳酸比例的混合饲料摄食能力和虫质量变化情况。以聚乳酸作为对照，对进食聚乳酸后的虫粪进行红外光谱和热裂解分析，确认摄入消化后聚乳酸是否降解。通过水、乙醇和二氯甲烷的梯度萃取，进而确认聚乳酸去除率。通过高通量测序分析，比较黄粉虫进食聚乳酸与进食麦麸后的肠道菌群差异。

4 主要研究结果

在投食聚乳酸或聚乳酸+麦麸混合饲料条件下饲养24 d后，黄粉虫存活率均超过82%，但只投食聚乳酸的黄粉虫生物质增加不明显。投食聚乳酸占比20%的混合饲料，黄粉虫生物质增量最高（增长33.1%±1.7%），并能降低虫粪产生量。红外光谱检测到官能团变化，热裂解分析发现不同热学性质的产物生成，从而证实聚乳酸被生物降解。物料衡算结果表明至少81.5%摄入的聚乳酸被消化去除。在消化聚乳酸后，肠道微生物组，特别是乳球菌属和螺原体菌属细菌的相对丰度显著增高。

5 结论与展望

黄粉虫能够快速摄食和生物降解聚乳酸，如需支持黄粉虫的长期生长和正常发育，需要添加麦麸作为混合饲料；在聚乳酸占20%的麦麸混合饲料喂养下，可获得最大的黄粉虫生物质增量；肠道微生物在聚乳酸的生物降解过程中起主导作用。在此基础上，作者提出了一种可持续的聚乳酸废弃物的处理方法和循环途径：①以农产品为原料生产聚乳酸塑料；②以回收聚乳酸废弃物与农业副产物为饲料生产黄粉虫生物质蛋白；③将黄粉虫生产过程产生的虫粪作为土壤改良剂/肥料用于农作物生产和聚乳酸原料。