大蜡螟降解塑料及其肠道微生物组研究

论文摘要

“白色污染”对生态环境和人类健康都造成了很大影响,已经成为世界上普遍关注的环境问题之一。根据2017年数据,全世界塑料产量已到达3.5亿吨。迄今为止,填埋、焚烧等传统的非生物处理方法并不能有效的降解塑料,并且这样的方法会对环境造成二次污染。生物降解塑料相对更为环保,但研究尚浅,因此需要对其进行更加深入的研究。本研究采用大蜡螟(Galleria mellonella)作为实验对象,不但证实了大蜡螟幼虫啮食塑料的现象,而且证明了该幼虫具有降解塑料的能力,并探究了大蜡螟对塑料的降解速率和产物,及添加蜂蜡或麦麸其营养物质对于大蜡螟降解塑料是否有促进作用,此外通过对大蜡螟肠道群落结构分析,推测出可能参与塑料降解过程的功能微生物。本论文取得的主要成果如下:(1)实验证实并探究了大蜡螟幼虫进食泡沫塑料的现象。幼虫进食聚乙烯比进食聚苯乙烯的能力强。添加麦麸或蜂蜡等营养物质作为辅助碳源后,幼虫的存活率明显提高,同时塑料取食量下降,所以添加麦麸或蜂蜡后会有降低进食塑料速率的趋势。(2)根据热重量分析(TG)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)和凝胶渗透色谱(GPC)分析可证明大蜡螟幼虫具有降解聚苯乙烯和聚乙烯泡沫塑料的功能。昆虫将塑料啮食后,其长链高分子发生解聚和断链导致物质分子量降低,红外光谱分析证实了新的含氧官能团的形成,因此可以证实塑料在经过幼虫肠道后被降解。(3)最后解剖大蜡螟、提取肠道DNA进行群落分析,探究肠道菌群降解塑料的机理,并寻找降解塑料的菌种。通过Illumina HiSeq测序平台进行了16S rRNA基因测序。群落分析表明,大蜡螟幼虫肠道中的菌株能够参与聚乙烯和聚苯乙烯塑料的降解。取食塑料的昆虫与取食蜂蜡及麦麸等营养物质的昆虫,其肠道群落优势菌种有明显的区别。取食聚苯乙烯的大蜡螟,其肠道优势菌为Enterococcus,Geobacillus和Pseudomonas的菌属,Enterococcus作为肠道常见菌,普遍存在于各种喂养方式下幼虫的肠道中,Geobacillus和Pseudomonas可能参与降解聚苯乙烯塑料的过程;取食聚乙烯的昆虫优势菌种为Serratia菌属,可能参与聚乙烯塑料的降解过程。总之,本实验证实了大自然存在能够降解塑料高分子聚合物的昆虫,昆虫的肠道是降解塑料的高效生物反应器。可以利用昆虫肠道中的潜在塑料降解细菌,构建塑料降解体系,实现塑料的高效降解,也为解决生物法降解“白色污染”的世界性难题提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源
•   1.2 塑料特征及其环境问题
•     1.2.1 塑料化学结构和分类
•     1.2.2 塑料发展历史与环境的问题
•   1.3 昆虫取食与降解塑料的自然现象
•     1.3.1 昆虫取食塑料的现象
•     1.3.2 大蜡螟生活习性
•   1.4 昆虫塑料降解研究进展
•     1.4.1 对于废塑料的非生物降解处理方法
•     1.4.2 塑料生物降解的研究进展
•     1.4.3 聚苯乙烯和聚乙烯生物降解的研究现状
•   1.5 研究内容
•   1.6 技术路线
• 第2章 实验材料和方法
•   2.1 实验材料
•     2.1.1 大蜡螟来源
•     2.1.2 泡沫塑料
•     2.1.3 饲养饲料
•     2.1.4 仪器设备
•   2.2 塑料的取食及大蜡螟的存活率的测定
•   2.3 大蜡螟幼虫粪便的化学性质的检测与分析
•     2.3.1 热重量分析
•     2.3.2 红外光谱分析
•     2.3.3 GPC测定分子量
•   2.4 大蜡螟肠道菌群的检测与分析
• 第3章 大蜡螟幼虫的塑料降解效果探究
•   3.1 引言
•   3.2 大蜡螟幼虫对塑料的取食情况及其存活率
•     3.2.1 添加麦麸/蜂蜡对幼虫取食塑料的影响
•     3.2.2 大蜡螟幼虫对不同塑料的取食的情况
•   3.3 大蜡螟幼虫粪便的热重分析
•   3.4 大蜡螟幼虫粪便的官能团分析
•   3.5 大蜡螟幼虫粪便的分子量测定
•   3.6 本章小结
• 第4章 大蜡螟肠道微生物对塑料降解效率的影响
•   4.1 引言
•   4.2 大蜡螟肠道DNA提取及测序数据的处理
•     4.2.1 DNA提取
•     4.2.2 测序原始数据的预处理及OTU聚类
•   4.3 样品复杂度分析（ALPHA DIVERSITY）
•     4.3.1 稀释性曲线
•     4.3.2 物种丰富度及均匀度指数
•   4.4 大蜡螟肠道微生物群落结构分析
•     4.4.1 Phylum及 Class水平下的大蜡螟肠道微生物群落
•     4.4.2 属水平下的大蜡螟肠道微生物群落
•     4.4.3 物种丰度聚类热图
•     4.4.4 系统进化关系
•   4.5 多样性比较分析（BETA DIVERSITY）
•     4.5.1 Beta多样性指数
•     4.5.2 主成分分析
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: Ekaterina Pererva

导师: 邢德峰

关键词: 塑料污染,塑料生物降解,大蜡螟幼虫,肠道微生物组

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 有机污染物定向生物转化与能源化,国家万人计划(中组部青年拔尖人才)

分类号: X174;X705

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.001191

总页数: 58

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