CN101717525A

CN101717525A - 一种印度谷螟幼虫降解聚乙烯塑料的方法

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Publication number: CN101717525A
Application number: CN200910241206A
Authority: CN
Inventors: 宋怡玲; 杨军; 秦小燕; 潘洪
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: CN101717525B

Abstract

一种印度谷螟幼虫降解聚乙烯塑料的方法，印度谷螟能以包括小米在内的几乎所有谷物、干果及中药材等为食物生长繁殖。在温度28~30℃，相对湿度60~70％，发育周期为35~45天。幼虫从发育第10~15天起，开始啃食聚乙烯，直至化蛹。傅里叶红外光谱分析，幼虫啮食聚乙烯后的粪便代谢物在720cm^-1处聚乙烯特征峰消失，而分别在3650~3200cm^-1，1642.87cm^-1处出现羟基(-OH)和羰基(-C＝O)特征峰。幼虫啮食聚乙烯后的粪便代谢物的高温凝胶渗透色谱趋近于一条直线，也表明其中没有聚乙烯聚合物。证明聚乙烯在幼虫口腔中磨碎，再在消化道中被降解。本发明中印度谷螟幼虫直接以食用的方式降解没有添加剂的纯聚乙烯，聚乙烯在降解前不需要光、热等前处理，不造成环境污染，成本低。

Description

一种印度谷螟幼虫降解聚乙烯塑料的方法

技术领域

本发明涉及生物领域，更具体的说是一种利用印度谷螟幼虫降解聚乙烯塑料的方法。

背景技术

聚乙烯塑料由于其经济、方便和稳定性好，被广泛用于国民经济和人类生活的各个方面，但同时也带来了严重危害生态环境的“白色污染”。据估计全球塑料废物正以每年4000万吨的速度在环境中积累，中国估计为200万吨。

聚乙烯是线性的饱和碳氢化合物，在结构上与石蜡和长链烷烃类似。聚乙烯生物降解的难易程度直接与其分子量有关，支链及20碳以上的烷烃很难被生物降解。塑料在土壤中完全被微生物同化，降解成CO₂和水实现无机矿化，需要200～400年时间，从而造成在环境中的积累[参照文献：Chiellini，E.，Corti，A.&Swift，G.Biodegradationof thermally-oxidized，fragmented low-density polyethylenes.Polym.Degrad.Stab.81，341-351(2003)]。目前，绝大多数聚乙烯废物采用焚烧处理，但是会产生大量有毒气体，包括CO、HCl、NOx、SO₂、二恶英等。因此寻求塑料各种降解途径并研究其降解机理，解决由于塑料引起的环境污染问题已迫在眉睫[参照文献：Reddy C.S.K.，Ghai R.，Rashmi & Kalia V.C.Polyhydroxyalkanoates：an overview.Bioresour.Technol.87，137-146(2003)]。

聚乙烯的生物降解非常缓慢，原因是其分子量过大(50,000~1,000,000g/mol)，疏水性强，塑料的表面能过低。所以为了促进塑料生物降解，设计生产了许多改性塑料，如：①光降解塑料，它在高分子材料中添加过渡金属络合物等光敏剂，或引入-C＝O、-CHO等光敏基团，利用太阳光紫外线作用产生自由基使聚合物分子链断裂而导致其失去机械强度和改变结构，从而达到降解目的；②添加型生物降解塑料，它是将淀粉、纤维素等易被微生物降解或利用的物质，加到聚合物分子链上。黄曲霉、链霉菌等微生物分泌水解酶，可以分解其中作为碳源的淀粉，使聚乙烯降解成小分子；再由真菌或细菌降解利用[参照文献：Chandra，R.& Rustgi，R.Biodegradation of maleated linearlow-density polyethylene and starch blends.Polym.Degrad.Stab.56，185-202(1997)]；③近年来发展的光/生物降解聚乙烯，是兼备光降解和生物降解双重功能的一类新型可降解塑料^[5]。④用微生物发酵技术直接合成生物可降解高分子塑料，主要是聚羟基烷酯(PHAs)，最常见的是聚羟基丁酸酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)等脂肪族聚酯塑料[参照文献：Albertsson，A.-C.，Barenstedt，C.，Karlsson，S.，et al.Degradation product pattern and morphology changes as means to differentiateabiotically and biotically aged degradable polyethylene.Polymer.36，3075-3083(1995)]。

微生物在聚乙烯表面形成菌落生长非常缓慢。因此在生物降解前需对塑料进行预处理，以增加表面能和加快表面氧化，形成-OH，-C＝O，-CHO，-COOH，-COOC-等活性基团，常用的预处理方法有热氧化、光氧化和冠状放电法等，提高聚乙烯表面亲水性，利于微生物吸附[参照文献：Hakkarainen，M.& Albertsson，A.C.Environmental Degradationof Polyethylene.Adv.Polym.Sci.169，177-199(2004)]。

聚乙烯生物降解过程中关键的氧化步骤目前发现有下列4种主要代谢途径[参照文献：Watanabe M.，Kawai F.，Shibata M.，et al.Computional method for analysisof polyethylene biodegradation.Journal of computational and appliedmathematics，2003，161：133-144]：

(1)末端氧化：RCH₃→RCH₂OH→RCHO→RCOOH。此方式以假单胞菌为代表，并以脂肪酸β氧化途径代谢。

(2)两端氧化：H₃CRCH₃→→→CH₃RCOOH→HOH₂CRCOOH→OHCRCOOH→HOOCRCOOH。某些细菌和真菌以此方式氧化，并以脂肪酸ω氧化途径代谢。

(3)次末端氧化：RCH₂CH₂CH₃→RCH₂OC(O)CH₃→RCH₂OC(O)CH₃→RCH₂OH+CH₃COOH。诺卡氏菌有此氧化途径。

(4)末端过氧化：RCH₃→RCH₂·OOH→RCO(O)OH→RCHO→RCOOH，醋酸杆菌有此代谢途径。

目前研究发现降解聚乙烯的生物主要是真菌和细菌等微生物，但至今尚未发现只催化聚乙烯降解特定底物的酶。

总之，光氧化和热氧化在实际降解塑料前处理过程中，耗能耗时大，成本高，并且只限于聚乙烯表面的氧化，氧对聚乙烯的穿透力很差。用微生物发酵法生产的PHAs和PHB可降解高分子塑料现处于研究阶段，无法解决高成本和产业化问题。目前市场上用的价格低廉的纯聚乙烯塑料，分子量高达150,000g/mol以上，主要采用焚烧的方法处理废弃塑料，排放的二恶英等有毒气体造成严重的环境污染。

发明内容

本发明主要目的在于：克服现有技术的不足，提供一种新的有效降解高分子量目前市场上通用的纯聚乙烯塑料的方法，降解前塑料不需要前处理，不造成环境污染，低成本。

本发明所分离培养鉴定出的印度谷螟，经实验进一步证实其幼虫具有降解聚乙烯的功能；在聚乙烯塑料固体废弃物的处理方面展现诱人前景。

本发明的主要内容包括：

(一)印度谷螟的分离鉴定

本发明首次提出一种具有聚乙烯塑料降解功能的鳞翅目昆虫，经中国科学院动物研究所宋士美专家鉴定为印度谷螟[Plodia interpunctella(Hübner)(Lepidoptera：Pyralidae)]，所属分类学位置为昆虫纲(Insecta)，鳞翅目(Lepidoptera)，螟蛾科(Pyralidae)，斑螟亚科(Phycit inate)，谷螟属(Plodia)。

1、印度谷螟来源：具有聚乙烯降解功能的仓库害虫，从各类小麦、大麦、玉米、豆类、花生、干果、粉状谷物、奶粉、中药材和粮食仓和麦田里中收集和分离得到。

2、印度谷螟[Plodia interpunctella(Hübner)]的发育各阶段的形态特征和生活习性：

每一雌虫可产卵约60～400粒，在温度28～30℃的适宜条件下，相对湿度60％～70％，完成一代需35～40天；在21℃，完成一代需50～55天。每年发生4～6代。

卵：椭圆形，灰白色，卵面粗糙，大小0.5×0.3mm左右，雌蛾产卵分散或成束，通常直接产在食物源上。卵经4～11天孵化为幼虫，见附图1a。

幼虫：初孵浅红色，一般在2龄后变浅黄白色，根据食物源的不同，有时也能观察到棕色或浅绿色。成熟幼虫长约12mm。头部赤褐色，幼虫咬食多借助于上颚，各体节多横皱。成熟幼虫有5对发育良好的腹足，为化蛹能移动相当一段距离。幼虫一生蜕皮5～7次，幼虫咬食谷物胚部及表层，并吐丝连缀粮粒成小团或筑成茧，幼虫在茧中取食危害。成熟幼虫不再取食。在幼虫期14～280天，这主要取决于温度，见附图1b。

蛹：幼虫成蛹或在茧内或是裸露。蛹淡褐色，细长形，尾端有尾钩8个，至成虫羽化前变为黑褐色，腹面隐现成虫各种副器。蛹长约6～11mm。翅片甚长达腹端。成熟的蛹眼呈黑色。蛹期约9天，见附图1c。

成虫：体长8～10mm，翅展16～20mm，雌虫较雄虫稍大。头胸灰色，后臀部褐色，有铜色光泽。复眼黑色。触角丝状。前翅狭长，呈三角形，翅面近基部约2/5为黄白色，外端部约3/5为铜褐色或深灰色，有黑色带在两节之间镶嵌。后翅灰白，略带黄褐，半透明。性喜阴暗，一般在黄昏飞翔，飞翔力弱。成虫交配在傍晚黄昏，产卵在夜间。成虫寿命短，约15天，但也可长达40天左右，见附图1d。

(二)印度谷螟的培养及聚乙烯降解

1、印度谷螟的培养

A：虫卵收集：从小麦、大麦、玉米、豆类、花生、干果、粉状谷物、奶粉、中药材和粮食仓和麦田里中收集和分离得到收集印度谷螟成虫，放入100～250ml烧杯(或其它容器中)用纱布封住烧杯口，在人工气候培养箱中孵育产卵，孵育温度为25℃～30℃，相对湿度50％～80％，孵育1～2天后，将卵在解剖镜下检出，放入无菌小试管中，用石蜡封口膜封口，4℃～5℃冰箱储存；每日收集一次，直至全部产卵。

B：虫卵孵化成幼虫：将虫卵放到铺有湿滤纸或吸水纸的无菌培养皿中，放入人工气候培养箱中孵化。孵化温度为25℃～30℃，相对湿度25％～100％。相对湿度25％～100％，60％～70％时最适。

接种虫卵之前食料的处理方法：①稻谷(如小米)的处理方法：将食料放在80℃干燥箱中烘烤8～10小时，在接种卵或虫子前回潮3～5天或加无菌水8％～30％，15％最适。②大麦、玉米等的处理方法：加入蒸馏水浸泡2～3小时，捞出后在80℃干燥箱中烘烤3～4小时。

2、印度谷螟幼虫降解聚乙烯塑料

本发明采用印度谷螟幼虫降解聚乙烯，具体方法如下：将刚孵化出的印度谷螟幼虫150～300只，放入100～350克上述处理过的食料中，装入500～1000ml烧杯中，用纱布封口，作为对照组；装入密度为0.922g/cm³，厚度为0.019～0.07mm，大小为17～25×26～34cm²的聚乙烯塑料袋中，作为实验组。在人工气候培养箱中培养，温度16℃～35℃，相对湿度25％～100％，16小时光照/8小时黑暗循环光照下培养。从第10～15天起，幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋，直至30～45天变蛹前。其外观见图2a，塑料袋重量减少3.4％～11.4％。其降解产物(粪便)用傅里叶红外光谱仪(Nicolet AVATAR 360FT-IR)见图2b～d。和高温凝胶渗透色谱仪检测，确定聚乙烯被降解见图3。

由图2b～d分析可知，①聚乙烯是长链饱和烃，由图2b的聚乙烯薄膜(对照)傅里叶红外光谱图可见，在2922、2851、1455cm^-1三处出现C-H₂振动特征峰；在720cm^-1处，由于(-CH₂-)_n强烈伸缩振动，呈现强且宽的聚乙烯特征吸收峰；②图2c是幼虫啮食聚乙烯后的多孔聚乙烯薄膜的傅里叶红外光谱图。图2c和图2b对比，除了图2b的特征峰略高以外，两条曲线的特征峰位置完全相同。可以判断没有新的物质生成，仍然保留原聚乙烯的特征。即主要差异在于其百分透过率不同，因为薄膜上有很多仓库害虫咬过的孔洞，故增强其透过率。③图2d幼虫啮食聚乙烯后的代谢物(粪便)的傅里叶红外光谱图，在3650～3200cm^-1区域有羟基(-OH)存在，2970cm^-1和2926cm^-1处分别有-CH₃、-CH₂的非对称伸缩振动峰；羰基的伸缩振动区一般为1900～1650cm^-1，在1642.87cm^-1处为羰基(-C＝O)特征峰；1451om^-1和1387cm^-1处分别为-CH₂的剪式振动和-CH₃的弯曲振动；1084cm^-1和1045cm^-1处出现了C-O的伸缩振动峰；图2d和图2b相比，720cm^-1处的聚乙烯特征峰消失，表明不再有(-CH₂-)_n基团，说明聚乙烯被降解；图2d证明聚乙烯塑料经仓库害虫体内代谢之后，其分子结构发生了明显变化，代谢物中聚乙烯特征峰消失，而出现了如羟基、羰基等官能团，聚乙烯被降解。

用高温凝胶渗透色谱仪(Alliance GPCV 2000，美国Waters公司)检测GPC图谱。图3中，与聚乙烯(对照)的GPC图谱(虚线)相比，印度谷螟的代谢物(粪便)的GPC图谱(实线)趋近于一条直线，证明代谢产物中不含有高分子聚合物。证明聚乙烯在幼虫口腔中磨碎，再经消化道被降解。

本发明的主要优点是印度谷螟幼虫直接以食用的方式降解没有添加剂的纯聚乙烯，聚乙烯在降解前不需要光、热等前处理，不造成环境污染，成本低。

附图说明

图1印度谷螟[Plodia interpunctella(Hübner)]生活史上各阶段形态图，其中：图1a卵，放大倍数：40×；图1b幼虫，放大倍数：16×；图1c蛹，放大倍数：16×；图1d成虫，放大倍数：1×；

图2印度谷螟[Plodia interpunctella(Hübner)]幼虫啮食聚乙烯薄膜后的多孔外观和傅里叶红外光谱图，

其中：图2a为印度谷螟幼虫啮食聚乙烯后的多孔外观；

图2b为聚乙烯薄膜(对照)，在720cm^-1处，由于(-CH₂-)_n强烈伸缩振动，呈现强且宽的特征吸收峰；

图2c为印度谷螟幼虫啮食聚乙烯后的多孔聚乙烯薄膜的傅里叶红外光谱图，除了透明百分比增大外，与对照官能基团无明显区别；

图2d.印度谷螟幼虫啮食聚乙烯后的代谢物(粪便)的傅里叶红外光谱图，在720cm^-1处的聚乙烯特征峰消失，在3650～3200cm^-1有羟基(-OH)存在，在1642.87cm^-1羰基(-C＝O)特征峰，说明聚乙烯已被降解；

图3为高温凝胶渗透色谱。虚线表示聚乙烯薄膜(对照)的洗脱曲线，呈典型的高斯分布；实线表示印度谷螟[Plodia interpunctella(Hübner)]幼虫啮食聚乙烯后的代谢物(粪便)的洗脱曲线，如3图所示，基本趋向直线，说明代谢物中不含聚乙烯，食入的聚乙烯已被降解。

具体实施方式

通过参照本发明降解聚乙烯最佳实施例，进一步描述本发明，然而本发明的范围不受这些最佳实施方式的限制。

实施例1

实施方式1：从脱壳稻谷(以小米为例)中收集印度谷螟成虫，放入100～250ml烧杯(或其它容器中)用纱布封住烧杯口，在人工气候培养箱中让其产卵，孵育温度28℃～30℃，相对湿度60％～70％，孵育1～2天后，将卵在解剖镜下检出，放入无菌小试管中，用石蜡封口膜封口，4℃～5℃冰箱储存；每日收集一次，直至全部产卵。

实施方式2：收集虫卵放到铺有湿滤纸的无菌培养皿中，放入人工气候培养箱中孵化。温度28℃～30℃，相对湿度60％～70％，3～6天孵化出幼虫。

实施方式3：脱壳稻谷食料的处理方法：以小米为例，将新鲜小米食料平铺到瓷盘，放在干燥箱中80℃烘烤8～10小时，在接种卵或虫子前回潮3～5天或添加15％的无菌蒸馏水。

实施方式4：按照实施方式2将刚孵化出的150～200只幼虫，接种到每份为200g按实施方式3处理好脱壳稻谷(以小米为例)中，分别装入500ml烧杯中，并用纱布封口，做为对照组。同样方法，将刚孵化出的150～200只幼虫，接种到每份为200g处理好小米放入密度为0.922g/cm³，厚度为0.035mm，大小为17×26.5cm²的聚乙烯塑料袋中，作为实验组。将对照组和实验组都放入人工气候培养箱中培养，温度28℃～30℃，相对湿度60％～70％，16小时光照/8小时黑暗循环光照下培养，或光照自然，适当避光。从第10～13天起，实验组的印度谷螟幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋，其降解产物通过粪便排出，每隔一天收集粪便，直至30～40天变蛹前。

实施方式5：由实施方式4，从印度谷螟幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋起(10～13天)，用傅里叶红外光谱仪(Nicolet AVATAR 360FT-IR)仪检测代谢产物(粪便)的傅里叶红外光谱，在研钵中将粪便研成粉末状，取微量加100～200倍的KBr在研钵中研细，使粒度小于2.5μm，放入压片机中使样品与KBr形成透明薄片，进行检测。傅里叶红外光谱显示，在720cm^-1处的聚乙烯特征峰消失，在3650～3200cm^-1区域有羟基(-OH)出现，在1642.87cm^-1处出现羰基(-C＝O)特征峰，而且在2970cm^-1和2926cm^-1处分别有-CH₃、-CH₂的非对称伸缩振动峰。用高温凝胶渗透色谱仪(Alliance GPCV 2000)检测代谢产物(粪便)高温凝胶渗透色谱，称取粪便样品7mg溶于8mL三氯苯溶剂中，在150℃下溶解，放置过夜，测定。高温凝胶渗透色谱趋近于一条直线，说明没有高分子聚合物。两种检测方法结果均明聚乙烯已被降解。

实施例2

实施方式1：从大麦(或玉米)中收集印度谷螟成虫，放入250～500ml烧杯(或其它容器中)用纱布封住烧杯口，在人工气候培养箱中让其产卵，孵育温度25℃～27℃，相对湿度55％～75％，孵育1～2天后，将卵在解剖镜下检出，放入无菌小试管中，用石蜡封口膜封口，4℃～5℃冰箱储存；每日收集一次，直至全部产卵。

实施方式2：收集虫卵放到铺有湿滤纸的无菌培养皿中，放入人工气候培养箱中孵化。温度25℃～27℃，相对湿度55％～75％，4～7天孵化出幼虫。

实施方式3：大麦(或玉米)食料的处理方法：将大麦(或玉米)加入适量蒸馏水浸泡2～3小时，捞出后在干燥箱中80℃烘烤3～4小时。

实施方式4：按照实施方式2将刚孵化出的200~250只幼虫，接种到每份为250g按实施方式3处理好小米中，分别装入500ml烧杯中，并用纱布封口，做为对照组。同样方法，将刚孵化出的200～250只幼虫，接种到每份为200g处理好小米放入密度为0.922g/cm³，厚度为0.07mm，大小为20×30cm²的聚乙烯塑料袋中，作为实验组。将对照组和实验组都放入人工气候培养箱中培养，温度25℃～27℃，相对湿度55％～75％，16小时光照/8小时黑暗循环光照下培养，或光照自然，适当避光。从第12～15天起，实验组的印度谷螟幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋，其降解产物通过粪便排出，每隔一天收集粪便，直至35～45天变蛹前。

实施方式5：由实施方式4，从印度谷螟幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋起(12～15天)，用傅里叶红外光谱仪(Nicolet AVATAR 360FT-IR)仪检测代谢产物(粪便)的傅里叶红外光谱，在研钵中将粪便研成粉末状，取微量加100～200倍的KBr在研钵中研细，使粒度小于2.5μm，放入压片机中使样品与KBr形成透明薄片，进行检测。傅里叶红外光谱显示，在720cm^-1处的聚乙烯特征峰消失，在3650～3200cm^-1区域有羟基(-OH)出现，在1642.87cm^-1处出现羰基(-C＝O)特征峰，而且在2970cm^-1和2926cm^-1处分别有-CH₃、-CH₂的非对称伸缩振动峰。用高温凝胶渗透色谱仪(Alliance GPCV 2000)检测代谢产物(粪便)高温凝胶渗透色谱，称取粪便样品7mg溶于8mL三氯苯溶剂中，在150℃下溶解，放置过夜，测定。高温凝胶渗透色谱趋近于一条直线，说明没有高分子聚合物。两种检测方法结果均明聚乙烯已被降解。

Claims

1.印度谷螟在其幼虫阶段能降解聚乙烯的应用，所述的印度谷螟属于鳞翅目，螟蛾科，斑螟亚科，谷螟属。

2.一种培养印度谷螟幼虫的方法，具体方法如下：

A：虫卵收集：从小麦、大麦、玉米、豆类、花生、干果、粉状谷物、奶粉、中药材和粮食仓或麦田里中收集和分离得到印度谷螟成虫，在人工气候培养箱中孵育产卵，孵育温度为25℃～30℃，相对湿度50％～80％，孵育1～2天后，将卵在解剖镜下检出，4℃～5℃冰箱储存，每日收集一次，直至全部产卵；

B：虫卵孵化成幼虫：将虫卵放到铺有湿滤纸或吸水纸的无菌培养皿中，放入人工气候培养箱中孵化，孵化温度为20℃～35℃，相对湿度25％～100％。

3.根据权利要求2所述的培养印度谷螟幼虫的方法，其特征在于：所述步骤B中的虫卵孵化成幼虫的相对湿度为60％～70％。

4.一种降解聚乙烯的方法，其特征在于：采用印度谷螟幼虫降解聚乙烯，具体方法如下：

(1)将刚孵化出的印度谷螟幼虫150～300只，放入100～350克脱壳谷物、玉米、大麦、小麦、花生食料中，装入厚度为0.019～0.07mm，大小为17～25×26～34cm²的聚乙烯塑料袋中，在人工气候培养箱中培养，温度16℃～35℃，相对湿度25％～100％，光照自然，避光；

(2)从第10～15天起，幼虫开始啃食聚乙烯塑料袋，直至35～55天变蛹前为止，降解产物通过粪便排出，用傅里叶红外光谱仪和高温凝胶渗透色谱仪检测，确定聚乙烯被降解。

5.根据权利要求4所述的降解聚乙烯的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的幼虫培养温度为25℃～30℃。

6.根据权利要求4所述的降解聚乙烯的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的相对湿度为60％～70％。

7.根据权利要求4所述的降解聚乙烯的方法，其特征在于：所述的食料为稻谷、大麦、玉米，将稻谷放在80℃干燥箱中烘烤8～10小时，在接种卵或虫子前回潮3～5天或加无菌水8％～30％；将大麦、玉米加入蒸馏水浸泡2～3小时，捞出后在干燥箱中80℃烘烤3～4小时。