曹捷琳 盧慧儀

人類(lèi)產(chǎn)生垃圾的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自然生物降解的速度，其中塑料垃圾不僅污染環(huán)境，也開(kāi)始侵蝕人類(lèi)的健康。利用人工主導(dǎo)的生物降解方法降解塑料或許是目前解決塑料垃圾問(wèn)題的方向。

一、研究目的

在同類(lèi)型的研究性學(xué)習(xí)中，很多學(xué)生都觀察到黃粉蟲(chóng)有吞食塑料的現(xiàn)象，但僅僅觀察到這種現(xiàn)象還不足以達(dá)成利用黃粉蟲(chóng)降解塑料的目的。如何證明黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)直接取食塑料的現(xiàn)象可達(dá)成生物降解塑料的目的？

二、對(duì)黃粉蟲(chóng)取食塑料的現(xiàn)象進(jìn)行探究及定性分析

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

目前的研究報(bào)告顯示，黃粉蟲(chóng)對(duì)不同材質(zhì)的塑料均有取食行為，但對(duì)不同種類(lèi)塑料的消化能力各異。我們想通過(guò)觀察、研究黃粉蟲(chóng)吞食塑料的行為，初步檢測(cè)其腸道對(duì)塑料的降解作用，觀測(cè)塑料是否對(duì)其具有生理毒害作用。同時(shí)，篩查下一步實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究的塑料種類(lèi)，確定研究方向。

2. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

黃粉蟲(chóng)幼蟲(chóng)購(gòu)自廣州市花鳥(niǎo)市場(chǎng)。飼養(yǎng)數(shù)日，選取健康狀態(tài)良好的幼蟲(chóng)備用。

3. 實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置對(duì)照組 1 個(gè) ， 實(shí)驗(yàn)組 15 個(gè)（可降解紅色塑料袋組、可降解白色塑料組、可降解黃色塑料組、可降解紅色塑料組、無(wú)色塑料袋、綠色塑料袋、紅色塑料袋、黃色塑料袋、黑色塑料袋、可降解透明飯盒、黃色泡沫飯盒、白色泡沫飯盒、紅色泡沫飯盒、黑色泡沫飯盒、綠色泡沫飯盒）。

將黃粉蟲(chóng)經(jīng)過(guò)饑餓處理后同時(shí)進(jìn)行 16組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前將塑料撕成碎片。通過(guò)對(duì)各組進(jìn)行觀測(cè)記錄、排泄物分析，對(duì)蟲(chóng)體施加適度的刺激測(cè)試其反應(yīng)能力，測(cè)量塑料的消耗量，初步確認(rèn)黃粉蟲(chóng)對(duì)塑料的吞食取向。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

通過(guò) 3 周的觀察記錄，發(fā)現(xiàn)各組塑料的質(zhì)量呈持續(xù)下降趨勢(shì)。可降解塑料組、可降解塑料盒、不可降解塑料組的質(zhì)量下降趨勢(shì)較平緩，甚至停滯。且這些組內(nèi)黃粉蟲(chóng)的質(zhì)量增加量并不大，甚至出現(xiàn)體重不變或體重下降的現(xiàn)象。

黑色不可降解塑料組內(nèi)的黃粉蟲(chóng)死亡率最高，存活的黃粉蟲(chóng)生長(zhǎng)現(xiàn)象不明顯，且對(duì)該種塑料的取食興趣最低。因此，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始 1 周之后出現(xiàn)了組內(nèi)黃粉蟲(chóng)互相蠶食的情況，黃粉蟲(chóng)尸體、蛻皮成為該組存活黃粉蟲(chóng)的主要食物來(lái)源。

與以上 3 組形成明顯對(duì)比的是泡沫飯盒組，該組內(nèi)的塑料消耗量較大，蟲(chóng)體有明顯的生長(zhǎng)現(xiàn)象，但黃粉蟲(chóng)的死亡率隨塑料的消耗量增加而不斷上升。同類(lèi)型的研究結(jié)果顯示，這種現(xiàn)象并非聚苯乙烯（PS）對(duì)黃粉蟲(chóng)的毒害作用引起。

反應(yīng)能力測(cè)試的結(jié)果表明，食用塑料對(duì)黃粉蟲(chóng)的反應(yīng)能力造成了一定程度的損傷。

很可能是黃粉蟲(chóng)對(duì)不同種類(lèi)的塑料取食量不同而導(dǎo)致饑餓程度各異，影響了其活動(dòng)能力。

我們收集了各組的黃粉蟲(chóng)糞便并將其點(diǎn)燃，發(fā)現(xiàn)燃燒過(guò)程中有白煙產(chǎn)生，且紅色可降解塑料袋、紅色泡沫飯盒這兩組黃粉蟲(chóng)的糞便點(diǎn)燃后產(chǎn)生的白煙濃度最高，黑色塑料袋組的黃粉蟲(chóng)糞便點(diǎn)燃后產(chǎn)生了刺激性氣味。結(jié)合黑色塑料組的黃粉蟲(chóng)同類(lèi)殘食且行動(dòng)遲緩的現(xiàn)象進(jìn)行推測(cè)，黃粉蟲(chóng)對(duì)黑色塑料袋的降解效果并不佳。

此外，我們發(fā)現(xiàn)塑料顏色不同，黃粉蟲(chóng)的取食興趣也有所不同。然而，黃粉蟲(chóng)的生理結(jié)構(gòu)并不能讓其具備辨色能力。因此，顏色不可能影響黃粉蟲(chóng)的進(jìn)食取向。

以平均消耗量最大的聚苯乙烯（PS）為例，我們利用無(wú)色無(wú)味的染色劑將 PS 碎片分別染成紅色、黑色、黃色、綠色，并保留一組 PS 碎片不作染色處理。稱(chēng)量結(jié)果顯示，不同顏色的 PS 消耗量相差較大。在第一周的測(cè)量中，紅色的 PS 碎片被消耗得最多。

對(duì)糞便進(jìn)行收集分析時(shí)，紅色 PS 碎片組的糞便質(zhì)量最大，但其中含有白色顆粒物，疑似 PS 小顆粒。排除色彩外，值得考慮的有可能是表示可見(jiàn)光特征的色溫能影響黃粉蟲(chóng)的進(jìn)食取向。

三、對(duì)黃粉蟲(chóng)取食塑料與碎塊色溫的相關(guān)性分析

1. 實(shí)驗(yàn)背景

在實(shí)驗(yàn)一中，我們將不同顏色的塑料按種類(lèi)進(jìn)行分組，以色溫作為同組之間的單一變量，同組之間進(jìn)行對(duì)照觀測(cè)。

對(duì)比塑料的消耗量、黃粉蟲(chóng)受到外界刺激時(shí)的反應(yīng)能力等可以發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲(chóng)對(duì)不同顏色的同種塑料的消耗量相差 0.106g～0.001g不等。

2. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選取 300 條健康且體型幾乎相同的黃粉蟲(chóng)，將其平分為 6 組。設(shè)置 1 組為對(duì)照組，其余 5 組分別是紅色碎片、黃色碎片、綠色碎片、黑色碎片、白色碎片。在室溫（27±2）℃、照度為 150～300Lux 的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)持續(xù) 10 天，每天稱(chēng)量組內(nèi)的碎片，收集碎片消耗量的數(shù)據(jù)，用制作回歸函數(shù)圖像的方式分析色溫與黃粉蟲(chóng)取食行為是否有關(guān)。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖 1 所示，向各組黃粉蟲(chóng)容器中投入 0.30 單位等量且不同顏色的塑料泡沫，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，剩余單位塑料含量從高到低依次是黑色塑料泡沫、綠色塑料泡沫、紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

第一天至第五天的過(guò)程中，可在宏觀數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)單位塑料的減少量處在一個(gè)相對(duì)較快的下降梯度。隨后，除黃色塑料泡沫發(fā)生次日內(nèi)的大梯度下降，其余塑料泡沫趨于穩(wěn)定，總體上類(lèi)似于反比例函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)。

從單組上看，最后單位塑料泡沫剩余量主要分布在三個(gè)區(qū)間。在（0.15，0.20] 區(qū)間內(nèi)僅有黑色塑料泡沫分布，在（0.10，0.15]區(qū)間內(nèi)僅有綠色塑料泡沫，在（0.05，0.10]內(nèi)有紅色塑料泡沫、白色塑料泡沫與黃色塑料泡沫。

我們采用對(duì)數(shù)回歸法分析該組數(shù)據(jù)，求出的各類(lèi)塑料的降解剩余率分別為紅色塑料泡沫26.5%、綠色塑料泡沫34.7%、黃色塑料泡沫16.5%、黑色塑料泡沫 50.3%、白色塑料泡沫 22.7%。對(duì)此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方差分析可得，各類(lèi)塑料的降解剩余率的平均數(shù)為 0.3 014，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.13 056，樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差的方差為 0.01 705，樣本標(biāo)準(zhǔn)差的方差值相差不到 10 倍。由此可證明，黃粉蟲(chóng)消化塑料泡沫的能力與塑料的顏色有關(guān)。

我們猜想，黃粉蟲(chóng)消化塑料的能力以周期形式表現(xiàn)，單位黃粉蟲(chóng)消耗塑料的能力具有極限值。遺憾的是，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，我們沒(méi)能在此次探究中具體驗(yàn)證上述猜想。

四、檢測(cè)腸液對(duì)塑料的降解作用

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)一“對(duì)黃粉蟲(chóng)取食塑料的現(xiàn)象探究及定性分析”可以發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯的消耗量最大，且聚苯乙烯組內(nèi)的黃粉蟲(chóng)具有明顯的生長(zhǎng)現(xiàn)象。

確認(rèn)對(duì)塑料的消耗量起決定作用的是黃粉蟲(chóng)腸道內(nèi)的消化作用與微生物等對(duì)各種塑料的降解效果，而不是塑料本身的硬度與各種塑料所含有的氣味等因素對(duì)其取食行為產(chǎn)生影響所致。

2. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備 40g 黃粉蟲(chóng)作為提取物的原料，進(jìn)行饑餓處理后，加入 80ml 蒸餾水放入研磨機(jī)粉碎。將所得的混合物過(guò)濾后倒入試管，放入差速離心機(jī)離心 30min。從差速離心機(jī)中取出試管，取上層清液。

將不可降解塑料（PE）、聚苯乙烯（PS）、可降解塑料袋（PLA）的碎片分別取0.01g，可降解塑料盒（PP）取 0.1g 加入試管，并設(shè)置 5 組平行實(shí)驗(yàn)。向每支試管內(nèi)加入等量的黃粉蟲(chóng)腸道提取物，在室溫度（27±2）℃、濕度恒為 40%～50% 的環(huán)境下靜置 3 日，隨后取出試管內(nèi)的塑料，排除腸液水分影響對(duì)其進(jìn)行測(cè)評(píng)。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試管內(nèi)的塑料進(jìn)行稱(chēng)重，對(duì)比浸泡黃粉蟲(chóng)提取物前、后塑料的質(zhì)量。

由圖 2 可見(jiàn)，各類(lèi)塑料初始質(zhì)量與經(jīng)過(guò)浸泡后的質(zhì)量均上漲，呈現(xiàn)出普遍規(guī)律。各類(lèi)塑料在黃粉蟲(chóng)腸液中浸泡后，其質(zhì)量受到一定影響，可得出黃粉蟲(chóng)腸液對(duì)各類(lèi)塑料有生物化學(xué)作用。

至于是否因?yàn)槟c液導(dǎo)致各類(lèi)塑料的質(zhì)量增加，我們作出以下猜想：黃粉蟲(chóng)腸液內(nèi)某種物質(zhì)與塑料反應(yīng)生成新物質(zhì)，導(dǎo)致黃粉蟲(chóng)有生長(zhǎng)表現(xiàn)。

在“對(duì)黃粉蟲(chóng)取食塑料與碎塊色溫的相關(guān)性分析”中，我們得出黃粉蟲(chóng)是以周期形式消化的猜想，消化周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中 3 日內(nèi)黃粉蟲(chóng)腸液內(nèi)某種物質(zhì)與各類(lèi)塑料的反應(yīng)未達(dá)到最終形態(tài)。（指導(dǎo)老師：謝樹(shù)亮）