有些昆虫连塑料都吃，处理废弃塑料能否找它们“帮忙”？-

出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

自从人造树胶问世以来，全球塑料产量已超过83亿吨。然而，随着塑料的广泛应用，大量塑料废弃物被弃置于垃圾填埋场或环境中。由于管理不善，这些废弃物会分解并释放有害化学物质，进入食物链，污染各级生物。

研究表明，直径小于5毫米的微塑料对人类健康和生态系统构成潜在威胁，其积累可能引发遗传毒性、免疫反应和氧化应激等问题，目前已在肺部、血液、胎盘等人体多个部位被发现。

这些现象引发了对微塑料可能导致炎症、内分泌干扰和细胞损伤的担忧，但其具体影响仍需进一步研究。近年来，科学家们发现，某些昆虫展现出了降解塑料的潜力，有望解决塑料污染的问题。

全球每年产生的塑料废物的重量

（图片来源：参考文献2）

塑料真的能作为生物的食物吗？

科学家们一直在探索塑料是否能被生物作为食物利用，其中，某些甲壳虫和蛾子的幼虫已经展现了能以塑料为食的能力。

目前，已发现11种昆虫被确认能够生物降解塑料，主要属于鞘翅目拟步甲科（Tenebrionidae：Coleoptera）和鳞翅目螟蛾科（Pyralidae：Lepidoptera）[3]。其中，研究最为广泛的昆虫包括黄粉虫（Tenebrio molitor的幼虫）、大麦虫（Zophobas atratus的幼虫）和蜡虫（Galleria mellonella的幼虫）。这些昆虫能够降解多种常见的塑料材料，如聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和聚氨酯（PU）[4-6]。

降解塑料的鞘翅目拟步甲科和鳞翅目螟蛾科昆虫

（图片来源：参考文献3）

昆虫是如何降解塑料的？

昆虫对塑料的降解过程是一个复杂的生物学过程，通常可以分为五个不同的阶段：塑料被昆虫的口器机械咀嚼，随后进入其肠道。昆虫的肠道会促进微生物的粘附，由于塑料都是高分子聚合物，接着通过酶的作用，塑料会发生解聚，形成一些低聚物片段。这些低聚物片段进一步降解成更小的分子。随后，昆虫的身体吸收这些小分子，并利用它们作为能量来源。最后，昆虫将最终产物从体内排泄出来[7]。

不过，不同昆虫的解聚能力各有不同，一些昆虫的解聚过程依赖于肠道微生物，如印度谷螟（Spodoptera frugiperda）依赖肠道肠杆菌来降解聚乙烯[8]。

而蜡虫降解聚乙烯的过程则不依赖于肠道菌群[9]，研究者通过将蜡虫匀浆直接涂抹到聚乙烯薄膜表面，发现聚乙烯发生了显著的质量损失，这表明蜡虫体内的酶可能直接作用于聚乙烯表面，导致其发生了降解。黄粉虫对聚丙烯和聚苯乙烯的降解依赖于微生物，但对聚乙烯的降解则不依赖于微生物[10]。

被昆虫降解后的物质有哪些？

早期研究发现，黄粉虫在以聚苯乙烯塑料为食的情况下，就能够正常生长，且与以正常食物（如麸皮）为食的幼虫相似。研究者分析了幼虫排出的淀粉，证实了长链聚苯乙烯分子在幼虫肠道中发生了解聚。

昆虫的降解能力可能有限，或者降解过程需要特定的条件或时间。在16天的测试期间，被摄入的聚苯乙烯分子中有47.7%的碳被转化为二氧化碳，大约49.2%的聚苯乙烯残留物以粪便的形式被排出，大约0.5%的聚苯乙烯被同化为生物体的一部分。这表明黄粉虫对塑料具有一定的塑料降解和转化能力，但仍有一部分聚苯乙烯没有被完全分解，而是以原始或部分分解的形式被排出体外[11]。

食塑黄粉虫对聚苯乙烯的生物降解过程

（图片来源：参考文献11）

另外一些研究者在偶然的实验中发现，草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）幼虫能够取食聚氯乙烯薄膜，并且能够利用这些塑料提供能量，短暂存活。这个发现引发了科学家们对塑料降解机制的兴趣。研究者从这种农业入侵害虫的肠道中分离出一种能够降解聚氯乙烯的细菌——EMBL-1。EMBL-1会在PVC表面形成一种生物膜，并分泌过氧化氢酶-过氧化物酶将PVC降解为较低分子量的聚合物。

接着，这种细菌会利用漆酶、单加氧酶、二加氧酶等将聚氯乙烯的长链降解产物进一步分解，转化为较短的产物。

此外，研究者发现编码转运蛋白和分解代谢蛋白的基因在EMBL-1菌株的蛋白质组和转录组中高度表达，这些基因可能参与了小有机分子和脂肪酸的运输，表明EMBL-1菌株可以利用降解后的聚氯乙烯产物作为自身生长所需的能源[12]。

EMBL-1菌株的聚氯乙烯降解途径

（图片来源：参考文献12）

被昆虫降解后的塑料还会继续污染环境吗？

要判断降解后的塑料是否会继续污染环境，我们不仅需要理解塑料是如何被降解的，还需要评估塑料是否被完全降解了？是否还有其他的化学转化产物？

昆虫和环境微生物对塑料的降解

（图片来源：参考文献7）

完全降解指的是塑料分子经过彻底转化，最终被分解为二氧化碳和水。评估塑料是否完全降解需要去判断其是否发生了矿化。矿化是有机物完全分解的过程，在塑料矿化的过程中，塑料中的碳转化为二氧化碳，并融入昆虫生物质中。可以通过测量二氧化碳释放量间接评估塑料矿化的程度，若降解过程中释放二氧化碳，说明部分塑料已转化为气体。

此外，检测昆虫体内碳含量和同位素比例变化，也有助于判断塑料碳是否整合进生物体内。化学转化指塑料分子结构的改变，但不一定意味着完全降解。

如前文所述，尽管一些昆虫能够降解塑料，但它们的降解能力有限。未被完全降解的塑料会被昆虫排出到体外，这些降解产物的环境安全性仍然需要进一步的分析。

昆虫降解塑料的工业化潜力

昆虫降解塑料的研究展示了其潜在的生态友好型解决方案，但要将这一过程工业化并应用于大规模的塑料污染治理，还面临着不少局限性，例如：

降解速率慢：昆虫降解塑料依赖于消化和微生物作用，过程缓慢，无法应对全球塑料污染的增速。

环境条件苛刻：降解效率受温度、湿度等环境因素影响，需维持特定条件，增加了工业化应用的复杂性和成本。

生态风险与操作难度：不同昆虫对塑料的降解效果各异，需精准匹配种类和塑料类型。同时，大规模应用可能扰乱生态平衡或引发物种入侵。

为了解决这些局限性，科学家和企业正从昆虫降解塑料的机制中汲取灵感，通过酶工程和微生物技术，为塑料回收提供高效的解决方案。科学家通过优化PET水解酶的设计显著提高了塑料降解效率，研究表明，酶的反应速率、底物特异性和抑制作用因其结构差异而变化。这些研究为开发高效PET降解酶和酶筛选策略提供了重要参考[13]。

法国某公司开发了一种基于酶的塑料回收工艺，可在16小时内分解97%的PET塑料，效率是传统方法的10,000倍。该技术可回收不同类型的PET并生成食品级再生PET，实现闭环循环回收[14]。

便携式独立系统可以快速将高能量密度的废物转化为食物、水和化学品，以支持远征行动和稳定任务

（图片来源：参考文献15）

结语

塑料种类繁多，其降解难度因聚合物结构而异。例如，聚乙烯因稳定的线性碳骨架较聚对苯二甲酸乙二醇酯更难降解。此外，热、风化和紫外线等非生物胁迫会影响昆虫及其肠道细菌对塑料的降解效率。若能为易降解的塑料开发匹配的降解酶，约一半塑料垃圾有望实现回收。未来，随着对降解昆虫、功能菌和降解酶的深入研究，我们有望通过技术创新最大化塑料回收的环境效益。

参考文献

1.Gibb B. C. (2019). Plastics are forever. Nature chemistry, 11(5), 394–395.

2.Boctor, J., Pandey, G., Xu, W., Murphy, D. V., & Hoyle, F. C. (2024). Nature's Plastic Predators: A Comprehensive and Bibliometric Review of Plastivore Insects. Polymers, 16(12), 1671.

3.Yang, SS., Wu, WM., Bertocchini, F. et al. Radical innovation breakthroughs of biodegradation of plastics by insects: history, present and future perspectives. Front. Environ. Sci. Eng. 18, 78 (2024).

4.Peng, B. Y., Chen, Z., Chen, J., Yu, H., Zhou, X., Criddle, C. S., Wu, W. M., & Zhang, Y. (2020). Biodegradation of Polyvinyl Chloride (PVC) in Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae) larvae. Environment international, 145, 106106.

5.Yang, Y., Wang, J., & Xia, M. (2020). Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating superworms Zophobas atratus. The Science of the total environment, 708, 135233.

6.Wang, Y., Luo, L., Li, X., Wang, J., Wang, H., Chen, C., Guo, H., Han, T., Zhou, A., & Zhao, X. (2022). Different plastics ingestion preferences and efficiencies of superworm (Zophobas atratus Fab.) and yellow mealworm (Tenebrio molitor Linn.) associated with distinct gut microbiome changes. The Science of the total environment, 837, 155719.

7.Yang, X. G., Wen, P. P., Yang, Y. F., Jia, P. P., Li, W. G., & Pei, D. S. (2023). Plastic biodegradation by in vitro environmental microorganisms and in vivo gut microorganisms of insects. Frontiers in microbiology, 13, 1001750.

8.Wang, Y., Luo, L., Li, X., Wang, J., Wang, H., Chen, C., Guo, H., Han, T., Zhou, A., & Zhao, X. (2022). Different plastics ingestion preferences and efficiencies of superworm (Zophobas atratus Fab.) and yellow mealworm (Tenebrio molitor Linn.) associated with distinct gut microbiome changes. The Science of the total environment, 837, 155719.

9.Bombelli, P., Howe, C. J., & Bertocchini, F. (2017). Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella. Current biology : CB, 27(8), R292–R293.

10.Yang, L., Gao, J., Liu, Y., Zhuang, G., Peng, X., Wu, W. M., & Zhuang, X. (2021). Biodegradation of expanded polystyrene and low-density polyethylene foams in larvae of Tenebrio molitor Linnaeus (Coleoptera: Tenebrionidae): Broad versus limited extent depolymerization and microbe-dependence versus independence. Chemosphere, 262, 127818.

11.Yang, Y., Yang, J., Wu, W. M., Zhao, J., Song, Y., Gao, L., Yang, R., & Jiang, L. (2015). Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests. Environmental science & technology, 49(20), 12080–12086.

12.Zhang, Z., Peng, H., Yang, D. et al. Polyvinyl chloride degradation by a bacterium isolated from the gut of insect larvae. Nat Commun 13, 5360 (2022).

13.Erickson, E., Shakespeare, T. J., Bratti, F., Buss, B. L., Graham, R., Hawkins, M. A., König, G., Michener, W. E., Miscall, J., Ramirez, K. J., Rorrer, N. A., Zahn, M., Pickford, A. R., McGeehan, J. E., & Beckham, G. T. (2022). Comparative Performance of PETase as a Function of Reaction Conditions, Substrate Properties, and Product Accumulation. ChemSusChem, 15(1), e202101932.

14.法国公司开发颠覆性技术，推出首个100%酶生物回收PET瓶[EB/OL]. https://www.china-ipif.com/zh-cn/media/news02/_-100--_pet_.html

15. From Plastic to X: Sourcing Military Waste for On-Site Production of Critical Stocks.[EB/OL].[2019-08-07].https://www.darpa.mil/news-events/2019-08-07a