● 摘要
石油基塑料世界年产量高达3亿吨，其中聚乙烯和聚苯乙烯分别占塑料总生产量的30%和7%。这两类石油基塑料化学结构稳定，经久耐用，只有在强紫外光照射或高温下才能部分降解。迄今为止，在土壤、河流湖泊、海洋、污泥、堆肥和垃圾场等自然和人工环境中尚未发现有效降解塑料的微生物及其它生物体，石油基塑料被公认为是很难生物降解的。巨量塑料消费产生的废物造成的“白色污染”已经成为一个全球性问题。
多年来，昆虫啮食塑料包装材料的现象时有报道，预防其危害性是开发包装材料和方法的一项重要课题。但从未有人研究被啮食的塑料是否降解。近年来，我们发现俗称蜡虫的印度谷螟幼虫（Plodia interpunctella）和黄粉虫（Tenebrio molitor）等啮食塑料的昆虫具有特异的塑料代谢能力。本论文采用同位素示踪等技术，首次系统证实了黄粉虫能将聚苯乙烯完全降解为CO2和同化为虫体组织成分；并阐明了肠道微生物种群在塑料降解过程中的重要作用；从黄粉虫和蜡虫肠道中分别分离出了降解聚苯乙烯和聚乙烯的细菌并对它们进行了鉴定；最后采用基因组测序和蛋白组质谱技术，分析了降解聚乙烯细菌的系统进化关系、功能基因和胞外酶组分，进行了分子生物学研究探索。本论文取得的主要成果如下：
（1）证实了黄粉虫具有高效率降解聚苯乙烯塑料的能力。黄粉虫能以聚苯乙烯发泡塑料为食维持生存30 d以上。聚苯乙烯经啮食后，长链高分子发生解聚和断链、生成了低分子中间产物。碳衡算分析表明，被啮食的聚苯乙烯的碳组分在16 d内被降解为CO2和同化为虫体组织的比率分别为47.7%和0.5%。用13C同位素示踪实验确证了黄粉虫将13C标记聚苯乙烯矿化成13CO2和同化为虫体组织中13C标记的脂肪酸。用抗生素庆大霉素抑制黄粉虫肠道微生物后，黄粉虫失去了解聚长链高分子和矿化13C标记聚苯乙烯成13CO2的能力，表明肠道微生物在聚苯乙烯降解过程中起了决定性的作用。据此提出了黄粉虫降解聚苯乙烯的概念模型，揭示了自然界存在过去未知的塑料生物降解途径。
（2）解析了啮食聚苯乙烯发泡塑料的黄粉虫肠道细菌种群结构，并从其肠道中分离鉴定了降解聚苯乙烯细菌。16S rRNA高通量测序分析表明，黄粉虫的肠道细菌种群结构主要为60.8%厚壁菌门、33.7%变形菌门、3.8%拟杆菌门和1.7%放线菌门等4个门，内含30.2%乳球菌属、21.1%肠球菌属和15.2%哈夫尼菌属等28个属。从以聚苯乙烯作为唯一碳源的黄粉虫肠道富集物中分离出13株细菌，其中2株细菌Exiguobacterium sp. YT2和Chryseobacterium sp. YT3可以在聚苯乙烯薄膜表面形成生物膜，并严重地侵蚀和氧化降解聚苯乙烯薄膜表面。在细菌浓度为108 个/mL的液体培养基中加入聚苯乙烯碎屑培养60 d后，菌株YT2和YT3分别使聚苯乙烯试样减重7.5%和6.5%，培养后的聚苯乙烯试样的分子量明显下降，在培养液中检测到有低分子中间产物生成。以上结果证实了肠道细菌具有降解聚苯乙烯的能力。
（3）从蜡虫肠道中分离并鉴定出降解聚乙烯细菌。以聚乙烯为唯一碳源，从蜡虫肠道富集物中分离到8株细菌。其中3株细菌Enterobacter asburiae YT1、Bacillus sp. YP1和Pseudomonas sp. YP2可以在聚乙烯膜表面形成生物膜，显著地侵蚀和氧化了聚乙烯表面, 聚乙烯膜表面憎水性下降。在细菌浓度为108 个/mL的液体培养基中加入聚乙烯细片培养60 d后，菌株YT1、YP1和YP2分别使聚乙烯试样减重6.1%、10.7%和4.1%，培养后的聚乙烯试样的分子量显著下降，并检测到有低分子量中间产物生成。以上结果证实了蜡虫肠道是聚乙烯高效降解菌的来源。
（4）完成了以上从蜡虫肠道分离的聚乙烯降解菌–芽孢杆菌Bacillus sp. YP1的全基因组测序，根据结果分析了菌株YP1的系统进化关系、形成生物膜的相关基因以及可能与聚乙烯降解相关的胞外氧化还原酶。菌株YP1包含一条基因大小为4,070,380 bp的染色体和一条83,186 bp的质粒。系统进化关系分析表明，菌株YP1与目前唯一的已报道基因组信息的肠道枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis subsp. BSP1最为近缘。基因组中包含了4,161预测基因，其中有与形成生物膜相关的表面活性素合成基因簇、磷壁酸合成与修饰基因簇和生物膜胞外基质合成基因簇。胞外蛋白组分分析表明，与用葡萄糖为碳源培养的细胞相比，用聚乙烯为碳源培养的细胞共有113个蛋白显著上调表达，包含11个氧化还原酶和3个酯酶。全基因组测序和胞外酶分析为进一步探明聚乙烯降解代谢路径相关的基因和酶提供了重要研究对象。
总之，本研究是最近三十年在研究固体废物、特别是石油基塑料废物的生物降解方面的重大突破。首次表明自然界存在能生物降解并利用塑料的昆虫，昆虫肠道是降解塑料的高效生物反应器。