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出品：科普中國

作者：Denovo團隊

監制：中國科普博覽

自從人造樹膠問世以來，全球塑料產量已超過83億噸。然而，隨著塑料的廣泛應用，大量塑料廢棄物被棄置于垃圾填埋場或環境中。由于管理不善，這些廢棄物會分解并釋放有害化學物質，進入食物鏈，污染各級生物。

研究表明，直徑小于5毫米的微塑料對人類健康和生態系統構成潛在威脅，其積累可能引發遺傳毒性、免疫反應和氧化應激等問題，目前已在肺部、血液、胎盤等人體多個部位被發現。

這些現象引發了對微塑料可能導致炎癥、內分泌干擾和細胞損傷的擔憂，但其具體影響仍需進一步研究。近年來，科學家們發現，某些昆蟲展現出了降解塑料的潛力，有望解決塑料污染的問題。

全球每年產生的塑料廢物的重量

（圖片來源：參考文獻2）

塑料真的能作為生物的食物嗎？

科學家們一直在探索塑料是否能被生物作為食物利用，其中，某些甲殼蟲和蛾子的幼蟲已經展現了能以塑料為食的能力。

目前，已發現11種昆蟲被確認能夠生物降解塑料，主要屬于鞘翅目擬步甲科（Tenebrionidae：Coleoptera）和鱗翅目螟蛾科（Pyralidae：Lepidoptera）[3]。其中，研究最為廣泛的昆蟲包括黃粉蟲（Tenebrio molitor的幼蟲）、大麥蟲（Zophobas atratus的幼蟲）和蠟蟲（Galleria mellonella的幼蟲）。這些昆蟲能夠降解多種常見的塑料材料，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]。

降解塑料的鞘翅目擬步甲科和鱗翅目螟蛾科昆蟲

（圖片來源：參考文獻3）

昆蟲是如何降解塑料的？

昆蟲對塑料的降解過程是一個復雜的生物學過程，通常可以分為五個不同的階段：塑料被昆蟲的口器機械咀嚼，隨后進入其腸道。昆蟲的腸道會促進微生物的粘附，由于塑料都是高分子聚合物，接著通過酶的作用，塑料會發生解聚，形成一些低聚物片段。這些低聚物片段進一步降解成更小的分子。隨后，昆蟲的身體吸收這些小分子，并利用它們作為能量來源。最后，昆蟲將最終產物從體內排泄出來[7]。

不過，不同昆蟲的解聚能力各有不同，一些昆蟲的解聚過程依賴于腸道微生物，如印度谷螟（Spodoptera frugiperda）依賴腸道腸桿菌來降解聚乙烯[8]。

而蠟蟲降解聚乙烯的過程則不依賴于腸道菌群[9]，研究者通過將蠟蟲勻漿直接涂抹到聚乙烯薄膜表面，發現聚乙烯發生了顯著的質量損失，這表明蠟蟲體內的酶可能直接作用于聚乙烯表面，導致其發生了降解。黃粉蟲對聚丙烯和聚苯乙烯的降解依賴于微生物，但對聚乙烯的降解則不依賴于微生物[10]。

被昆蟲降解后的物質有哪些？

早期研究發現，黃粉蟲在以聚苯乙烯塑料為食的情況下，就能夠正常生長，且與以正常食物（如麩皮）為食的幼蟲相似。研究者分析了幼蟲排出的淀粉，證實了長鏈聚苯乙烯分子在幼蟲腸道中發生了解聚。

昆蟲的降解能力可能有限，或者降解過程需要特定的條件或時間。在16天的測試期間，被攝入的聚苯乙烯分子中有47.7%的碳被轉化為二氧化碳，大約49.2%的聚苯乙烯殘留物以糞便的形式被排出，大約0.5%的聚苯乙烯被同化為生物體的一部分。這表明黃粉蟲對塑料具有一定的塑料降解和轉化能力，但仍有一部分聚苯乙烯沒有被完全分解，而是以原始或部分分解的形式被排出體外[11]。

食塑黃粉蟲對聚苯乙烯的生物降解過程

（圖片來源：參考文獻11）

另外一些研究者在偶然的實驗中發現，草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）幼蟲能夠取食聚氯乙烯薄膜，并且能夠利用這些塑料提供能量，短暫存活。這個發現引發了科學家們對塑料降解機制的興趣。研究者從這種農業入侵害蟲的腸道中分離出一種能夠降解聚氯乙烯的細菌——EMBL-1。EMBL-1會在PVC表面形成一種生物膜，并分泌過氧化氫酶-過氧化物酶將PVC降解為較低分子量的聚合物。

接著，這種細菌會利用漆酶、單加氧酶、二加氧酶等將聚氯乙烯的長鏈降解產物進一步分解，轉化為較短的產物。

此外，研究者發現編碼轉運蛋白和分解代謝蛋白的基因在EMBL-1菌株的蛋白質組和轉錄組中高度表達，這些基因可能參與了小有機分子和脂肪酸的運輸，表明EMBL-1菌株可以利用降解后的聚氯乙烯產物作為自身生長所需的能源[12]。

EMBL-1菌株的聚氯乙烯降解途徑

（圖片來源：參考文獻12）

被昆蟲降解后的塑料還會繼續污染環境嗎？

要判斷降解后的塑料是否會繼續污染環境，我們不僅需要理解塑料是如何被降解的，還需要評估塑料是否被完全降解了？是否還有其他的化學轉化產物？

昆蟲和環境微生物對塑料的降解

（圖片來源：參考文獻7）

完全降解指的是塑料分子經過徹底轉化，最終被分解為二氧化碳和水。評估塑料是否完全降解需要去判斷其是否發生了礦化。礦化是有機物完全分解的過程，在塑料礦化的過程中，塑料中的碳轉化為二氧化碳，并融入昆蟲生物質中。可以通過測量二氧化碳釋放量間接評估塑料礦化的程度，若降解過程中釋放二氧化碳，說明部分塑料已轉化為氣體。

此外，檢測昆蟲體內碳含量和同位素比例變化，也有助于判斷塑料碳是否整合進生物體內。化學轉化指塑料分子結構的改變，但不一定意味著完全降解。

如前文所述，盡管一些昆蟲能夠降解塑料，但它們的降解能力有限。未被完全降解的塑料會被昆蟲排出到體外，這些降解產物的環境安全性仍然需要進一步的分析。

昆蟲降解塑料的工業化潛力

昆蟲降解塑料的研究展示了其潛在的生態友好型解決方案，但要將這一過程工業化并應用于大規模的塑料污染治理，還面臨著不少局限性，例如：

降解速率慢：昆蟲降解塑料依賴于消化和微生物作用，過程緩慢，無法應對全球塑料污染的增速。

環境條件苛刻：降解效率受溫度、濕度等環境因素影響，需維持特定條件，增加了工業化應用的復雜性和成本。

生態風險與操作難度：不同昆蟲對塑料的降解效果各異，需精準匹配種類和塑料類型。同時，大規模應用可能擾亂生態平衡或引發物種入侵。

為了解決這些局限性，科學家和企業正從昆蟲降解塑料的機制中汲取靈感，通過酶工程和微生物技術，為塑料回收提供高效的解決方案。科學家通過優化PET水解酶的設計顯著提高了塑料降解效率，研究表明，酶的反應速率、底物特異性和抑制作用因其結構差異而變化。這些研究為開發高效PET降解酶和酶篩選策略提供了重要參考[13]。

法國某公司開發了一種基于酶的塑料回收工藝，可在16小時內分解97%的PET塑料，效率是傳統方法的10,000倍。該技術可回收不同類型的PET并生成食品級再生PET，實現閉環循環回收[14]。

便攜式獨立系統可以快速將高能量密度的廢物轉化為食物、水和化學品，以支持遠征行動和穩定任務

（圖片來源：參考文獻15）

結語

塑料種類繁多，其降解難度因聚合物結構而異。例如，聚乙烯因穩定的線性碳骨架較聚對苯二甲酸乙二醇酯更難降解。此外，熱、風化和紫外線等非生物脅迫會影響昆蟲及其腸道細菌對塑料的降解效率。若能為易降解的塑料開發匹配的降解酶，約一半塑料垃圾有望實現回收。未來，隨著對降解昆蟲、功能菌和降解酶的深入研究，我們有望通過技術創新最大化塑料回收的環境效益。

參考文獻

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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).

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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.

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14.法國公司開發顛覆性技術，推出首個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