《Advanced Biotechnology》：Responses of gut microbial community and metabolic function to disposable face mask of Zophobas atratus larvae
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本研究针对一次性口罩(DFM)带来的环境污染问题，探索了黑粉虫(Zophobas atratus)幼虫肠道微生物组对聚丙烯(PP)材质口罩的降解能力。通过多组学分析发现，幼虫对口罩中层具有最高降解效率(60±0.04 mg/d/50幼虫)，并鉴定出Hafnia、Corynebacterium等关键降解菌群及细胞色素P450、类固醇激素生物合成等代谢通路。该研究为DFM的生物降解提供了新策略，发表于《Advanced Biotechnology》。
随着新冠疫情的持续流行，全球每月丢弃约120亿只一次性口罩(DFM)，这些以聚丙烯(PP)为主要材质的废弃物正在造成严重的微塑料污染和重金属析出风险。传统焚烧和填埋处理方式存在二次污染隐患，而机械回收方法又面临能耗高和病原体残留的挑战。在此背景下，利用生物降解技术处理塑料废弃物已成为环境科学领域的研究热点。
令人惊喜的是，自然界中某些昆虫幼虫展现出非凡的塑料降解能力。黑粉虫(Zophobas atratus)作为鞘翅目昆虫，其肠道微生物组被证实能够降解聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)等多种塑料。那么，这种"超级蠕虫"能否解决一次性口罩带来的环境危机呢？发表在《Advanced Biotechnology》的最新研究给出了肯定答案。
研究团队设计了一套严谨的实验方案：将黑粉虫幼虫分为饥饿组、麦麸喂养组以及口罩外层、中层、内层喂养组，在25°C、65%湿度的受控环境中进行12天喂养实验。通过抗生素抑制实验验证肠道微生物的作用，并综合运用扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术分析降解效果。同时采用16S rRNA测序和非靶向代谢组学解析微生物群落结构和代谢通路变化。
3.1 黑粉虫存活率与口罩消耗量
数据显示，中层口罩喂养组幼虫存活率高达95.3±3%，接近麦麸喂养组(96.7±3%)，而饥饿组仅9.7±1%。特别值得注意的是，50只幼虫在12天内对口罩中层的消耗量达到356.7±49.3 mg，显著高于外层(16.7±7.2 mg)。研究人员发现，中层纤维直径仅1.75μm的疏松结构更利于幼虫摄食消化。
3.2 口罩降解表征
FTIR光谱在1700 cm-1处出现显著羰基(C=O)吸收峰，表明口罩在肠道内发生氧化反应。TGA曲线显示降解产物在200-450°C出现74.1%的质量损失，最大分解速率温度从450°C降至402°C。水接触角(WCA)测试表明，降解产物疏水性从136.0°降至73.55°，证明肠道酶成功攻击了PP的C-C单键。
3.3 肠道微生物群落
通过庆大霉素抑制实验发现，抗生素处理组幼虫存活率降至48.3±3.4%，口罩消耗量显著减少，且FTIR谱图未出现氧化特征峰，证实降解作用依赖肠道微生物。16S测序显示，口罩喂养组变形菌门(Proteobacteria)相对丰度从57.57%升至79.48-84.66%，而厚壁菌门(Firmicutes)相应减少。Hafnia、Corynebacterium和Xenorhabdus在中层降解中发挥关键作用。
3.4 代谢组学分析
非靶向代谢组学鉴定出46种上调代谢物，细胞色素P450通路、类固醇激素生物合成和生物素代谢通路显著激活。PICRUSt2功能预测进一步证实酯酶(p<0.05)和过氧化物酶(p<0.001)编码基因富集，表明活性氧(ROS)参与PP链的氧化断裂过程。
3.5 降解菌株筛选
从幼虫肠道中分离出的嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas sp.) M212菌株在无碳培养基上形成丰富生物膜。SEM观察显示该菌株在口罩表面形成明显蚀刻斑，XPS检测到氧含量从2.18%增至5.82%，FTIR在1260-1000 cm-1出现C-O伸缩振动峰，证实其氧化降解能力。
这项研究首次系统揭示了黑粉虫幼虫肠道微生物组降解一次性口罩的分子机制。研究发现不仅证实了昆虫肠道微生物在塑料生物降解中的核心作用，更通过多组学联用技术解析了关键的微生物种群和代谢通路。特别值得关注的是，中层口罩的高效降解特性为实际应用提供了最优选择，而嗜麦芽窄食单胞菌M212的成功筛选则为开发高效降解菌剂奠定了理论基础。
该研究的创新之处在于将昆虫生物降解技术拓展至复杂复合材料领域，突破了传统纯塑料降解研究的局限。然而作者也指出，长期单一口罩喂养导致的幼虫体重下降问题，提示需要优化营养配比。未来研究应聚焦于关键功能菌株的协同作用机制，以及在实际环境中的降解效能验证，从而推动这项绿色技术从实验室走向产业化应用。
