许诗杰，张雅林

(西北农林科技大学 植物保护学院 植保资源与病虫害治理教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

塑料具有成本低、功能强等优点，因而被大量使用，但塑料分子量高、稳定性高导致其在自然界中不能自然降解，造成白色污染，引起人们的广泛关注[1-3]。最常见的塑料有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等[4]。目前关于塑料生物降解的研究主要集中于微生物领域，包括一些细菌、霉菌等，这些微生物对塑料的生物降解会受到环境因素的影响，如温度、光照、pH值等[5-6]。除微生物对塑料的生物降解外，研究人员还发现一些昆虫能够取食降解塑料，并对此展开了相关研究。黄粉虫(Tenebriomolitor)可以取食降解泡沫聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)，并从其肠道分离得到能够降解聚苯乙烯的细菌菌株(Exiguobacteriumsp.)YT2[7-11]。大麦虫(Zophobasmorio)可以取食不同塑料，尤其喜食薄、软、泡沫化程度高的塑料[12-13]；印度谷螟(Plodiainterpunctella)幼虫可以取食聚乙烯薄膜，并从其肠道分离得到能够降解聚乙烯的2个细菌菌株(Enterobacterasburiae)YT1和(Bacillussp.)YP1[14]。此外，谷蠹(Rhyzoperthadominica)、烟草甲(Lasiodermaserricorne)和米象(Sitophilusoryzae)可以损坏食品包装薄膜并造成孔洞，根据损害特征可以判断是何种害虫危害[15-16]。这些昆虫取食降解塑料现象的发现为塑料的生物降解研究提供了新思路，但取食塑料的昆虫个体及种群生长发育相关参数是否受到影响尚未见报道。因此，本研究以取食泡沫聚苯乙烯(PS)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)的黄粉虫为研究对象，对其在单头饲养和群体饲养条件下的生命特征展开研究，以期为实现黄粉虫规模化降解塑料提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试 虫 黄粉虫(Tenebriomolitor)，由西北农林科技大学昆虫博物馆养虫室提供。

1.1.2 材 料 泡沫聚苯乙烯(PS)，购自河北德鹏建材有限公司；线性低密度聚乙烯(LLDPE)粉剂，购自中国石化；超市购物袋(HDPE)、农膜(PE)、麦麸等。

1.2 试验仪器

BIC-300人工气候箱，万分之一电子天平，解剖镜，饲养器具(养虫盒、产卵箱和不同孔径筛子)，90 mm培养皿等。

1.3 试验方法

1.3.1 黄粉虫单头饲养 采用组建黄粉虫年龄-龄期两性生命表的方法，对取食聚苯乙烯、线性低密度聚乙烯的黄粉虫在单头饲养条件下的生命特征进行研究；观察仅将聚苯乙烯(PS)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)作为黄粉虫唯一食物时，该虫是否可以正常完成生长发育。同时，设置正常饲喂麦麸处理和饥饿处理作为对照。具体方法如下：

室内以麦麸饲养黄粉虫成虫，在成虫始产卵后接一批卵用于孵化幼虫，孵化出的幼虫作为试验用虫备用。按照Park等(2014年)[17]报道的体长标准选取大小一致(龄期一致)的黄粉虫，分别以PS、LLDPE和麦麸于90 mm培养皿中进行单头饲喂，每个处理设置以下几种对比试验组。a.PS处理：分别选取2龄、4龄、8龄、12龄、14龄幼虫各100头，将PS作为唯一食物进行单头饲喂；b.LLDPE处理：分别选取10龄、12龄、14龄幼虫各100头，将LLDPE作为唯一食物进行单头饲喂；c.麦麸处理：分别选取12龄、14龄幼虫各100头，将麦麸作为唯一食物进行单头饲喂；d.饥饿处理：选取12龄幼虫100头进行单头饥饿处理。

每天定时对黄粉虫的生长发育情况进行观察，根据取食情况及时更换食物，清理蜕皮及虫粪，记录其蜕皮日期、死亡情况等。幼虫化蛹后，在解剖镜下对蛹进行雌雄鉴别，称量蛹质量，出现成虫后，取雌雄虫进行配对并于培养皿中继续饲喂，培养皿底部铺一张滤纸作为接卵纸，上铺一层麦麸，每天定时统计产卵量，直至成虫死亡。

试验均于温度为27 ℃、相对湿度为(70±5)%的人工气候箱中进行。

1.3.2 黄粉虫群体饲养 通过设计不同的饲喂方式、饲喂比例，观察黄粉虫在群体饲养条件下取食PS等塑料后的生长发育情况，比较分析黄粉虫的生命特征变化。

(1)PS和麦麸混合饲喂黄粉虫试验。试验设麦麸PS混合饲喂、麦麸PS交替饲喂和麦麸PS梯度饲喂3组处理，其中麦麸PS混合饲喂设麦麸与PS质量比分别为0∶1，1∶3，1∶1，3∶1，1∶0 5个水平；麦麸PS交替饲喂每10 d更换1次，即先饲喂PS 10 d，再换麦麸饲喂10 d，再换PS饲喂10 d，如此重复；麦麸PS梯度饲喂按照以下麦麸与PS质量比进行饲喂：1～10 d(麦麸与PS质量比3∶1，下同)，11～20 d(1∶1)，21～30 d(1∶3)，30 d以后(0∶1)。

(2)不同塑料单独饲喂黄粉虫试验。试验选用PS、HDPE和PE分别饲喂黄粉虫，其中HDPE和PE需要剪成小片，以饥饿处理为对照。

(3)LLDPE和麦麸混合饲喂黄粉虫试验。按照麦麸与LLDPE质量比分别为0∶1，1∶4，2∶3，3∶2，4∶1，1∶0进行饲喂。

选取一批12龄左右黄粉虫进行饲喂试验。每组试虫100头，重复3次。

饲养过程中及时清除死虫、蜕皮、虫粪等，每隔10 d更换1次食物，统计存活虫数，称量总虫质量，计算存活率、平均虫质量等。

1.4 数据分析

根据年龄-龄期两性生命表理论[18-19]统计原始数据，在软件TWOSEX-MSChart(http://140.120.197.173/ecology/Download/TWOSEX-MSChart.rar)中用Bootstrap方法计算，得到不同处理相关参数的平均值及标准误；运用Excel和SPSS 21.0计算得到蛹质量、存活率和平均虫质量等数据的平均值及标准误。运用Paired bootstrap test(成对自助检验法)进行差异显著性检验(P<0.05)，运用SigmaPlot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 取食塑料后黄粉虫单头饲养结果

2.1.1 不同龄期黄粉虫生长发育比较 试验观察发现，2龄、4龄、8龄和12龄PS组，10龄、12龄LLDPE组及12龄饥饿组黄粉虫均不能完成正常的生长发育，于幼虫期全部死亡；而12龄麦麸组黄粉虫能完成正常的生长发育。由表1可知，2龄、4龄、8龄和12龄PS组黄粉虫的存活时间随龄期增大而延长，4龄、8龄和12龄PS组黄粉虫的蜕皮次数随龄期增大而增多。10龄LLDPE组黄粉虫的存活时间和蜕皮次数均低于12龄LLDPE组。12龄PS组和12龄LLDPE组黄粉虫的存活时间和蜕皮次数均多于12龄饥饿组，但少于12龄麦麸组。可见取食PS、LLDPE在一定程度上可以维持黄粉虫的生长发育。

表1 不同饲喂条件下黄粉虫的存活时间和蜕皮次数Table 1 Survival time and ecdysis times of Tenebrio molitor fed on different media

2.1.2 黄粉虫化蛹率、平均蛹质量和发育时间比较 观察发现，取食PS和LLDPE的14龄黄粉虫均可以完成正常生长发育。由表2可知，PS组和LLDPE组黄粉虫的化蛹率分别为23%和31%，明显低于麦麸组(85%)。对于黄粉虫全部、雌性和雄性个体而言，PS组和LLDPE组黄粉虫的平均蛹质量均小于麦麸组。PS组黄粉虫全部和雌性个体的平均蛹质量均小于LLDPE组，而PS组黄粉虫雄性个体的平均蛹质量大于LLDPE组。可见，取食PS、LLDPE的14龄黄粉虫的化蛹率和平均蛹质量显著降低。

黄粉虫幼虫总龄期数不固定，本试验中以麦麸进行正常饲喂的黄粉虫幼虫总龄期数为13～20龄。根据报道，在相同营养条件下黄粉虫幼虫化蛹前最后一个龄期(P-1)历期保持一致，历经不同龄期数的个体其P-1历期无明显差异[20]。因此，本试验中对P-1历期进行了比较，结果(表2)发现，PS组和LLDPE组的黄粉虫全部、雌性和雄性个体的P-1历期均较麦麸组显著延长。PS组、LLDPE组和麦麸组的黄粉虫全部和雄性个体蛹历期无明显差异，PS组的黄粉虫雌性个体蛹历期显著低于LLDPE组和麦麸组。PS组、LLDPE组的黄粉虫全部个体和雌性个体成虫期历期显著低于麦麸组，PS组黄粉虫雄性个体的成虫期历期低于麦麸组但无显著差异，LLDPE组黄粉虫雄性个体成虫期历期显著低于麦麸组。可见，与取食麦麸相比，取食PS、LLDPE的14龄黄粉虫P-1历期显著延长，成虫期显著缩短(P<0.05)。

表2 不同饲喂条件下14龄黄粉虫的化蛹率、平均蛹质量和发育时间Table 2 Pupation rate,average pupal weight and developmental time of 14th instar Tenebrio molitor fed on different media

注：All表示全部个体，F表示雌性个体，M表示雄性个体，P-1表示化蛹前最后一个龄期。同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(成对自助检验法)。下同。

Note:All indicates all individuals,F indicates female individuals,M indicates male individuals, and P-1indicates the last one instar.Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)(Paired bootstrap test).The same below.

2.1.3 黄粉虫繁殖情况比较 从表3可以看出，与麦麸组相比，PS组、LLDPE组黄粉虫成虫产卵前期(APOP)并未受到显著影响，但产卵天数和繁殖力显著下降；与LLDPE组相比，PS组黄粉虫APOP、产卵天数、繁殖力均未表现出明显差异。因此认为取食PS、LLDPE显著缩短了14龄黄粉虫成虫的产卵天数，且显著降低了黄粉虫成虫的繁殖力(P<0.05)。

表3 不同饲喂条件下14龄黄粉虫的成虫产卵前期、产卵天数和繁殖力比较Table 3 APOP,oviposition period and fecundity of 14th instar Tenebrio molitor fed on different media

2.2 取食塑料后黄粉虫群体饲养结果

2.2.1 取食麦麸和PS混合料黄粉虫的生长发育情况 从图1可以看出，麦麸PS质量比(0∶1)组即PS直接饲喂组黄粉虫存活率下降明显，存活率一直低于其他各组，到饲喂60 d时存活率仅为19.40%；麦麸PS质量比(1∶3)组、麦麸PS质量比(1∶1)组、麦麸PS质量比(3∶1)组、麦麸PS质量比(1∶0)组和交替饲喂组黄粉虫存活率下降较少，到饲喂60 d时仍高达90%以上；梯度饲喂组随着PS比例的增大黄粉虫存活率开始下降，饲喂60 d时下降到85.90%。可见，将PS作为唯一食物饲喂黄粉虫会明显影响其种群存活率，但通过添加麦麸可以使种群存活率保持较高水平。

从图1可以看出，麦麸PS质量比饲喂(麦麸PS质量比分别为0∶1,1∶3,1∶1,3∶1,1∶0)呈现出明显的规律性，麦麸所占比例越高，平均虫质量越大，而且麦麸PS质量比(1∶0)组显著高于其他各组；交替饲喂组呈现出阶梯状走势，只饲喂PS时平均虫质量基本保持不变或略有下降，饲喂麦麸时平均虫质量增长明显；梯度饲喂组随着PS所占比例的逐渐加大，平均虫质量增长速度也逐渐放缓。可见，仅取食PS黄粉虫平均虫质量增长有限，显著低于正常饲喂麦麸组。

2.2.2 取食不同塑料黄粉虫的生长发育情况 从图2可以看出，PS组、HDPE组、PE组、饥饿组黄粉虫存活率变化趋势较为一致，随饲喂时间延长存活率呈下降趋势，特别是饲喂20 d后存活率迅速下降，饲喂60 d时存活率分别为19.40%，15.24%，17.60%和16.27%，显著低于麦麸饲喂组；麦麸组存活率一直保持较高水平。

从图2可以看出，PS组、HDPE组、PE组平均虫质量基本保持不变，饥饿组平均虫质量有所下降，麦麸组平均虫质量则增长明显，饲喂60 d时增长至0.180 3 g。可见，PS、HDPE、PE作为食物可以在一定程度上维持黄粉虫生长发育，但与麦麸饲喂差异显著。

图1 饲喂麦麸与PS混合料黄粉虫的存活率和平均虫质量Fig.1 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on mixture of bran and PS

图2 饲喂不同塑料黄粉虫的存活率和平均虫质量Fig.2 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on different media

2.2.3 取食LLDPE与麦麸混合料黄粉虫的生长发育情况 从图3可以看出，麦麸LLDPE质量比(0∶1)组从饲喂30 d以后存活率开始大幅下降，到90 d时下降到36.33%；麦麸LLDPE质量比(1∶4)组、麦麸LLDPE质量比(2∶3)组、麦麸LLDPE质量比(3∶2)组、麦麸LLDPE质量比(4∶1)组和麦麸LLDPE质量比(1∶0)组始终保持很高的存活率。可见，将LLDPE作为黄粉虫唯一食物会明显影响种群存活率，而当添加麦麸时其存活率可以维持在一个较高水平。

从图3可以看出，不同麦麸LLDPE质量比饲喂下黄粉虫平均虫质量呈现出明显的规律性变化，麦麸所占比例越高，平均虫质量越大，麦麸LLDPE质量比(0∶1)组平均虫质量基本保持不变。可见，黄粉虫通过取食LLDPE获得的虫质量增长十分有限。

3 讨论与结论

本试验对黄粉虫在单头饲养和群体饲养条件下取食PS、LLDPE的生命特征进行了研究，结果表明，在单头饲养只取食PS、LLDPE条件下，12龄及以下黄粉虫不能完成正常的生长发育，且取食PS、LLDPE的黄粉虫随龄期的增大存活时间逐渐延长，可见随着龄期的增大，黄粉虫对于PS和LLDPE的取食降解能力逐渐增强。14龄黄粉虫可以完成生长发育，但其化蛹率和平均蛹质量明显偏低，P-1历期延长，蛹历期未受明显影响，成虫期缩短；雌虫产卵前期未受到明显影响，产卵天数缩短，繁殖力下降。取食PS、LLDPE显著影响了黄粉虫的存活率、发育时间和繁殖能力，造成这种影响的原因可能是：(1)营养不足。PS、LLDPE等塑料作为非常规食物能在一定程度上维持黄粉虫生长，但并不能为黄粉虫提供充足且全面的营养成分。(2)缺少水分补充。黄粉虫的水分补充是通过取食含水分的食物来获得的[21]，而塑料中基本不含有水分。(3)蜕皮困难。试验中发现，取食塑料的黄粉虫经常出现蜕皮困难导致死亡的现象，可能也与水分获取不足有关。(4)细菌感染。黄粉虫由于没有获得充足的营养导致体质较弱，容易受到细菌感染变黑死亡。

图3 饲喂麦麸与LLDPE混合料黄粉虫的存活率和平均虫质量Fig.3 Survival rate and average weight of Tenebrio molitor fed on mixture of bran and LLDPE

由于黄粉虫为群体性昆虫，单头饲养所得数据可能与实际群体饲养中有所差异[22]。本研究结果表明，群体饲养条件下，仅饲喂PS、LLDPE时黄粉虫存活率下降明显，仅饲喂PS 60 d时黄粉虫存活率为19.40%，仅饲喂LLDPE 90 d时黄粉虫存活率为36.33%，平均虫质量基本保持不变。导致出现这种现象的原因除营养不足、缺少水分补充、蜕皮困难和细菌感染等外，最主要的原因是黄粉虫的自相残杀现象，在黄粉虫无法获取到常规食物的情况下这一现象变得更为突出，从而造成黄粉虫个体的大量死亡。但是，在群体饲养中通过将麦麸与塑料进行混合饲喂可以减少黄粉虫个体之间自相残杀的发生，使黄粉虫种群保持较高的存活率。因此，为达到直接利用黄粉虫降解塑料的目的，需要进一步通过尝试不同饲喂方式、饲喂比例、添加其他常规食物等对黄粉虫种群进行驯化筛选，得到一个可以最大程度降解塑料，同时又可以保证正常生长发育繁殖的种群，然后进一步扩增种群规模从而实现对塑料的规模化生物降解。

根据报道，黄粉虫分为黄色型和黑色型2种色型，黄粉虫的黑化程度可作为抗逆性的衡量标准[23-25]。因此，可以对黄色型和黑色型2种色型的黄粉虫取食降解塑料的能力以及取食塑料后的生长发育情况进行比较研究，选择取食能力强，更容易完成正常生长发育的黄粉虫色型进行降解塑料能力的驯化。还有一些昆虫如大麦虫、赤拟谷盗等也具有取食塑料的能力，且大麦虫个体较黄粉虫更大，可能具有更强的降解能力。此外，还可以通过从昆虫肠道中分离可降解塑料的细菌菌株开展对塑料降解的相关研究，这些都为塑料生物降解研究提供了新的方向。

志谢：齐心教授 (Hsin Chi，Agricultural Sciences and Technologies，Ömer Halisdemir University，Nigde,Turkey)对本研究初稿做了审改，特此致谢！