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蟑螂将成为消灭塑料污染的新功臣

蟑螂常因其在不卫生的环境中活动、携带病原体、污染食物、夜间活动的习性以及繁殖能力强、难以彻底消除的特点而被人们厌恶。但是从蟑螂咀嚼和啃食塑料袋等塑料制品的现象中却使人们发现了蟑螂的塑料降解能力。最近的研究揭示了蟑螂,尤其是杜比亚蟑螂(Blabtica dubia),在生物降解塑料方面的巨大潜力。在人类与塑料污染的斗争中,这种不起眼的小昆虫可能成为我们的新盟友。

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研究背景

每年,全球塑料产量高达数亿吨,其中大部分最终成为垃圾,污染我们的土壤、水体和海洋。塑料垃圾不仅破坏自然景观,还威胁野生动植物的生存,甚至通过食物链影响人类健康。尽管有回收和物理化学方法处理塑料废物,但这些方法往往效率低下,成本高昂。


2024年9月的一项突破性研究显示,杜比亚蟑螂能够高效生物降解聚苯乙烯(PS)塑料。这些蟑螂能消化摄入的46.6%的PS,并且对分子量高达1百万Da的PS塑料表现出优越的生物降解能力。当蟑螂摄入PS塑料时,其肠道中的塑料降解细菌数量会增加,这些微生物通过分泌酶来分解塑料;


此外,蟑螂本身的基因表达也会发生变化,上调与消化酶相关的基因,以适应塑料降解的过程。该研究的主要目的是评估杜比亚蟑螂对PS塑料的生物降解能力,并探索其背后的微生物和分子机制。

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图 1 杜比亚蟑螂可摄入PS塑料并且通过与肠道微生物的共同作用达到降解塑料的目的

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实验结果

1、 生物降解能力:

杜比亚蟑螂能够降解分子量高达1百万Da的PS塑料,且在15天内内能消化摄入的PS的46.6%。杜比亚蟑螂对PS的去除效率与已报道的PS降解昆虫如大麦虫相当,但高于同样生物降解PS聚合物的大型无脊椎陆地蜗牛。


2、同位素分析

C值反映了PS样品中13C与12C的比值,表明了含碳化合物的生物降解程度,粪便中残留PS的δ13C值发生了显著变化,Δδ13C为2.28±0.10‰,与T. molitor幼虫生物降解PS聚合物(Δδ13C为3.49−3.70‰)观察到的结果相似,表明PS塑料在杜比亚蟑螂肠道内发生了生物降解。


3、分子量变化:

GPC分析显示,通过蟑螂肠道后,Mn、 Mw和PDI(聚集度指数)发生了显著变化。对于喂食低MW的蟑螂,Mn显著降低了17.17%、 29.62%和32.46%, Mw也分别显著降低了23.11%、 25.34%和16.85%;饲喂高MW (Mw > 524.0 kDa)的蟑螂,Mn分别显著降低24.93%和36.66%。而5个实验组中的pdi均增加,说明残留PS因生物降解而MW分布的宽度增加。

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图 2  杜比亚蟑螂解聚不同分子量高纯度PS样品。8个PS样品被分为低、中、高MW组

4、官能团变化:

FTIR分析揭示了PS塑料表面形成了新的官能团,在3500-3300cm-1处发现了一个新的羟基官能团,表明塑料发生了氧化。


5、热稳定性变化:

TGA分析显示,粪便中产生了三个新的热失重温度,表明粪便中 PS的热稳定性发生了变化,即其结构发生了改变,粪便中含有PS和生物降解产生的新成分。


6、微生物群落变化:

杜比亚蟑螂肠道中的微生物群落在摄入PS塑料后发生了显著变化,表明肠道微生物参与了PS的降解,群落结构分析发现,在以PS为食的蟑螂中,主要为乳球菌(0 ~ 8.53%)、 假单胞菌(0.79% ~ 4.07%)、马赛菌(0 ~ 4.39%)、 棘叶杆菌(0 ~ 2.95%)、单胞菌(0 ~ 1.52%)和不动杆菌(0 ~ 1.23%)。肠道微生物群落可迅速适应PS塑料,并逐步形成了新的PS降解微生物群落。饲喂不同MW 的PS的会使得肠道菌群的变化不同,并且也可能产生不同的代谢物。

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图 3 杜比亚蟑螂摄入PS塑料后肠道菌群组成。(a)属水平肠道细菌群落组成(对照CD15 vs PS饲喂组ps D15)。

(b) CD15和psD15在属水平上的显著差异检验

7、PS降解过程中杜比亚蟑螂转录组分析:

通过转录组学分析间接检测寄主蟑螂对PS消化。使用喂食PS (psD15)和正常食物(CD15)的杜比亚蟑螂肠道样本进行分析。基因表达热图显示psD15和CD15基因之间存在显著差异。筛选发现10,709个差异表达的上调基因和下调基因。上调基因大多数参与能量产生(氧化磷酸化、有氧呼吸和电子传递链)、 酶活性(氧化还原酶、细胞色素氧化酶、NADH脱氢酶)和细胞组分(呼吸链复合物、细胞色素复合物和线粒体内膜)。对上调基因(BH2UP)进行的iPath通路分析揭示了苯乙烯代谢通路、β氧化、三羧酸循环和氧化磷酸化。表明饲喂PS提高了宿主能量产生,并且增加了PS降解酶,,表明PS在被宿主分泌酶和肠道微生物降解后是蟑螂的电子供体。并且不同MW PS引起基因的差异上调,导致酶功能的富集、水解酶和氧化酶水平的变化,从而导致氧化和代谢过程的变化。PS的MW越高,降解程度越小。

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图 4 (a)对照组(CD15)和实验组(psD15)之间显著差异上调基因的GO富集气泡图

8、提出杜比亚蟑螂中 PS 降解的途径:

结合基因组学、转录组学和代谢物分析的结果,研究表明杜比亚蟑螂的PS生物降解涉及蟑螂宿主和肠道菌群介导的共生消化反应,其中多种酶和蛋白质参与了PS的生物降解和中间产物的代谢。杜比亚蟑螂中PS生物降解的假定途径为:在进食活动中, 蟑螂通过口器咀嚼和摄入PS MPs,并吸收氧气。由于咀嚼活动,摄入的PS变成更小的微米大小的颗粒。PS聚合物链通过一系列可能由细胞色素P450相关氧化酶、醇脱氢酶、酯酶和醛脱氢酶催化的酶促反应被氧化分解成短链氧化产物,通过Py-GC/MS分析检测到C4-C36中间体。脂肪酸通过酰基辅酶a合成酶转运成β-氧化和2-苄基-3-羟基丙烷酸通过苯乙烯代谢途径进入三羧酸循环,最终经历氧化磷酸化,并通过膜结合呼吸链复合体产生能量。

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图 5 杜比亚蟑螂的PS降解途径。通过对喂食PS MPs杜比亚蟑螂的转录组学和代谢物结果分析,提出了这一途径。图中虚线为多步反应,实线为单步反应。酶(绿色字体)、膜转运蛋白、 呼吸链复合物都是转录组中上调的基因产物。

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实验结论

杜比亚蟑螂能够降解PS塑料,而且其肠道微生物和宿主基因在这一过程中发挥了重要作用。这项研究为利用生物方法处理塑料污染提供了新的见解,并为未来的研究和应用奠定了基础。研究人员在实验室中进行了一系列的实验,以验证杜比亚蟑螂降解塑料的能力。他们发现,不同分子量的PS塑料在蟑螂肠道中表现出不同的降解模式。通过这项研究,杜比亚蟑螂加入到PS塑料降解生物名单中,为研究环境中降解塑料的昆虫和塑料垃圾的命运开辟了一个新的方向。利用杜比亚蟑螂进行生物治理塑料污染,可能是一种既环保又经济的方法。与传统的塑料处理方法相比,这种方法不会产生有害的副产品,而且成本可能更低。

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结语

杜比亚蟑螂的发现为我们提供了一种新的视角来看待塑料污染问题。这些小小的清洁工可能在塑料垃圾的生物降解中发挥重要作用。随着研究的深入,未来可能会发现更多能够协助我们对抗塑料污染的生物盟友。在这场对抗塑料污染的战斗中,杜比亚蟑螂可能只是众多潜在解决方案中的一种。但它们的故事提醒我们,即使是最小的生物也可能蕴含着解决大问题的潜力。

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