每年，全球塑料產(chǎn)量高達(dá)數(shù)億噸，其中大部分最終成為垃圾，污染我們的土壤、水體和海洋。塑料垃圾不僅破壞自然景觀，還威脅野生動(dòng)植物的生存，甚至通過(guò)食物鏈影響人類(lèi)健康。盡管有回收和物理化學(xué)方法處理塑料廢物，但這些方法往往效率低下，成本高昂。

2024年9月的一項(xiàng)突破性研究顯示，杜比亞蟑螂能夠高效生物降解聚苯乙烯（PS）塑料。這些蟑螂能消化攝入的46.6%的PS，并且對(duì)分子量高達(dá)1百萬(wàn)Da的PS塑料表現(xiàn)出優(yōu)越的生物降解能力。當(dāng)蟑螂攝入PS塑料時(shí)，其腸道中的塑料降解細(xì)菌數(shù)量會(huì)增加，這些微生物通過(guò)分泌酶來(lái)分解塑料；

此外，蟑螂本身的基因表達(dá)也會(huì)發(fā)生變化，上調(diào)與消化酶相關(guān)的基因，以適應(yīng)塑料降解的過(guò)程。該研究的主要目的是評(píng)估杜比亞蟑螂對(duì)PS塑料的生物降解能力，并探索其背后的微生物和分子機(jī)制。

1、 生物降解能力：

杜比亞蟑螂能夠降解分子量高達(dá)1百萬(wàn)Da的PS塑料，且在15天內(nèi)內(nèi)能消化攝入的PS的46.6%。杜比亞蟑螂對(duì)PS的去除效率與已報(bào)道的PS降解昆蟲(chóng)如大麥蟲(chóng)相當(dāng)，但高于同樣生物降解PS聚合物的大型無(wú)脊椎陸地蝸牛。

2、同位素分析：

C值反映了PS樣品中13C與12C的比值，表明了含碳化合物的生物降解程度，糞便中殘留PS的δ13C值發(fā)生了顯著變化，Δδ13C為2.28±0.10‰，與T. molitor幼蟲(chóng)生物降解PS聚合物(Δδ13C為3.49?3.70‰)觀察到的結(jié)果相似，表明PS塑料在杜比亞蟑螂腸道內(nèi)發(fā)生了生物降解。

3、分子量變化：

GPC分析顯示，通過(guò)蟑螂腸道后，Mn、 Mw和PDI（聚集度指數(shù)）發(fā)生了顯著變化。對(duì)于喂食低MW的蟑螂，Mn顯著降低了17.17%、 29.62%和32.46%， Mw也分別顯著降低了23.11%、 25.34%和16.85%；飼喂高M(jìn)W (Mw > 524.0 kDa)的蟑螂，Mn分別顯著降低24.93%和36.66%。而5個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的pdi均增加，說(shuō)明殘留PS因生物降解而MW分布的寬度增加。

4、官能團(tuán)變化：

FTIR分析揭示了PS塑料表面形成了新的官能團(tuán)，在3500-3300cm-1處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的羥基官能團(tuán)，表明塑料發(fā)生了氧化。

5、熱穩(wěn)定性變化：

TGA分析顯示，糞便中產(chǎn)生了三個(gè)新的熱失重溫度，表明糞便中 PS的熱穩(wěn)定性發(fā)生了變化，即其結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，糞便中含有PS和生物降解產(chǎn)生的新成分。

6、微生物群落變化：

杜比亞蟑螂腸道中的微生物群落在攝入PS塑料后發(fā)生了顯著變化，表明腸道微生物參與了PS的降解，群落結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，在以PS為食的蟑螂中，主要為乳球菌(0 ~ 8.53%)、 假單胞菌(0.79% ~ 4.07%)、馬賽菌(0 ~ 4.39%)、 棘葉桿菌(0 ~ 2.95%)、單胞菌(0 ~ 1.52%)和不動(dòng)桿菌(0 ~ 1.23%)。腸道微生物群落可迅速適應(yīng)PS塑料，并逐步形成了新的PS降解微生物群落。飼喂不同MW 的PS的會(huì)使得腸道菌群的變化不同，并且也可能產(chǎn)生不同的代謝物。

7、PS降解過(guò)程中杜比亞蟑螂轉(zhuǎn)錄組分析：

通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析間接檢測(cè)寄主蟑螂對(duì)PS消化。使用喂食PS (psD15)和正常食物(CD15)的杜比亞蟑螂腸道樣本進(jìn)行分析。基因表達(dá)熱圖顯示psD15和CD15基因之間存在顯著差異。篩選發(fā)現(xiàn)10,709個(gè)差異表達(dá)的上調(diào)基因和下調(diào)基因。上調(diào)基因大多數(shù)參與能量產(chǎn)生(氧化磷酸化、有氧呼吸和電子傳遞鏈)、 酶活性(氧化還原酶、細(xì)胞色素氧化酶、NADH脫氫酶)和細(xì)胞組分(呼吸鏈復(fù)合物、細(xì)胞色素復(fù)合物和線粒體內(nèi)膜)。對(duì)上調(diào)基因(BH2UP)進(jìn)行的iPath通路分析揭示了苯乙烯代謝通路、β氧化、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化。表明飼喂PS提高了宿主能量產(chǎn)生，并且增加了PS降解酶，，表明PS在被宿主分泌酶和腸道微生物降解后是蟑螂的電子供體。并且不同MW PS引起基因的差異上調(diào)，導(dǎo)致酶功能的富集、水解酶和氧化酶水平的變化，從而導(dǎo)致氧化和代謝過(guò)程的變化。PS的MW越高，降解程度越小。

8、提出杜比亞蟑螂中 PS 降解的途徑：

結(jié)合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝物分析的結(jié)果，研究表明杜比亞蟑螂的PS生物降解涉及蟑螂宿主和腸道菌群介導(dǎo)的共生消化反應(yīng)，其中多種酶和蛋白質(zhì)參與了PS的生物降解和中間產(chǎn)物的代謝。杜比亞蟑螂中PS生物降解的假定途徑為：在進(jìn)食活動(dòng)中， 蟑螂通過(guò)口器咀嚼和攝入PS MPs，并吸收氧氣。由于咀嚼活動(dòng)，攝入的PS變成更小的微米大小的顆粒。PS聚合物鏈通過(guò)一系列可能由細(xì)胞色素P450相關(guān)氧化酶、醇脫氫酶、酯酶和醛脫氫酶催化的酶促反應(yīng)被氧化分解成短鏈氧化產(chǎn)物，通過(guò)Py-GC/MS分析檢測(cè)到C4-C36中間體。脂肪酸通過(guò)?；o酶a合成酶轉(zhuǎn)運(yùn)成β-氧化和2-芐基-3-羥基丙烷酸通過(guò)苯乙烯代謝途徑進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終經(jīng)歷氧化磷酸化，并通過(guò)膜結(jié)合呼吸鏈復(fù)合體產(chǎn)生能量。

杜比亞蟑螂能夠降解PS塑料，而且其腸道微生物和宿主基因在這一過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。這項(xiàng)研究為利用生物方法處理塑料污染提供了新的見(jiàn)解，并為未來(lái)的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究人員在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證杜比亞蟑螂降解塑料的能力。他們發(fā)現(xiàn)，不同分子量的PS塑料在蟑螂腸道中表現(xiàn)出不同的降解模式。通過(guò)這項(xiàng)研究，杜比亞蟑螂加入到PS塑料降解生物名單中，為研究環(huán)境中降解塑料的昆蟲(chóng)和塑料垃圾的命運(yùn)開(kāi)辟了一個(gè)新的方向。利用杜比亞蟑螂進(jìn)行生物治理塑料污染，可能是一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的方法。與傳統(tǒng)的塑料處理方法相比，這種方法不會(huì)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品，而且成本可能更低。

杜比亞蟑螂的發(fā)現(xiàn)為我們提供了一種新的視角來(lái)看待塑料污染問(wèn)題。這些小小的清潔工可能在塑料垃圾的生物降解中發(fā)揮重要作用。隨著研究的深入，未來(lái)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多能夠協(xié)助我們對(duì)抗塑料污染的生物盟友。在這場(chǎng)對(duì)抗塑料污染的戰(zhàn)斗中，杜比亞蟑螂可能只是眾多潛在解決方案中的一種。但它們的故事提醒我們，即使是最小的生物也可能蘊(yùn)含著解決大問(wèn)題的潛力。