可堆肥塑料是否更优？可堆肥与非可堆肥塑料摄入对 Tenebrio molitor L.（Insecta: Tenebrionidae）生活史特征和适合度的影响

《Evolutionary Ecology》：Impacts of compostable and non-compostable plastic ingestion on Tenebrio molitor L. (Insecta: Tenebrionidae): a life history approach

　　

鉴于塑料对生物体适合度（fitness）的有害影响，一个问题是：可堆肥材料（来源于非石油来源）是否更好？在此，研究人员以黄粉虫 Tenebrio molitor 甲虫为研究系统，评估了昆虫摄入两种石油衍生塑料——聚乙烯（polyethylene, PE）和聚苯乙烯（polystyrene, PS）——以及一种可堆肥产品（compostable product, CP）的适合度效应。在幼虫期，动物被饲喂以下四种不同处理之一：(a) PE＋苹果/小麦；(b) PS＋苹果/小麦；(c) CP＋苹果/小麦；(d) 仅苹果/小麦。到达成虫阶段后，昆虫被提供小麦和苹果7天，允许其交配并产卵。研究人员记录了发育速率以及从幼虫到蛹、蛹到成虫的死亡率，成虫体重和繁殖力，以及从一个阶段到下一阶段的存活概率。研究人员仅发现，在从幼虫到蛹转变期间的死亡率差异仅存在于对照组与饲喂PS的组之间；同时，饲喂CP的组从蛹到成虫阶段的死亡率高于对照组和PS处理组，且存活概率也受到影响，尤其是在蛹期和成虫期。饲喂任何类型的石油衍生塑料或可堆肥塑料均导致体型和繁殖成功率（以存活幼虫数衡量）降低。研究结果揭示，当昆虫幼虫持续摄食传统塑料和生物塑料时，可能对生活史特征产生影响。例如，不同阶段的发育延迟可能增加死亡率，而雌性产卵量下降和成虫体型减小可能意味着携带效应（carry-over effects，即幼虫期摄食塑料引起的环境胁迫，并反映在成虫适合度特征中），对种群统计学（demography）产生负面后果。尽管量化的若干要素显示传统塑料和生物塑料均产生负面影响，但在所分析的一些变量中，饲喂CP的昆虫表现出与对照组相似或高于饲喂传统塑料组的水平。

塑料污染是当前生态系统中的主要胁迫之一。塑料由石油和天然气衍生单体聚合而成，聚乙烯（polyethylene, PE）和聚苯乙烯（polystyrene, PS）广泛用于塑料袋和容器。鉴于PE和PS的负面影响，可堆肥塑料（compostable plastics, CP）等生物塑料被提出作为替代；CP是由淀粉、纤维素、甲壳素/壳聚糖、果胶或细菌衍生聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoates, PHAs）或聚乳酸（polylactic acid, PLA）等天然非石油来源材料制成，理论上具有较低温室效应、节能和更快降解。已有研究表明，PE和PS摄入在脊椎动物中可导致DNA损伤、氧化应激、肠道炎症、血清白细胞介素升高、神经毒性、脂质积聚和行为改变；在黄粉虫 Tenebrio molitor 中，PE和PS可诱导活性氧、抗氧化酶、脂质过氧化和氧化损伤，PS还影响脂质组并产生与凋亡和细胞应激有关的神经酰胺和心磷脂。生物塑料对昆虫生活史影响证据仍不一致，例如聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（polybutylene adipate terephthalate, PBAT）对黄粉虫4周存活、质量和蜕皮率无影响，黑水虻饲喂PLA后幼虫发育、存活及蛹发育和速率未受影响，但PBAT在第一和第二代可分别升高和降低蜕皮率。长期、从早期幼虫至成虫和繁殖期的持续摄入效应尚需回答。研究人员因此以黄粉虫为对象，比较PE、PS和CP在大部分幼虫期摄入后对适合度的影响，测量发育速率、死亡率、体重、孵化率、繁殖力和阶段存活概率，假设可生物降解塑料影响很小或无影响。

研究人员开展的研究中，个体来自墨西哥城及其都市区若干群落，以小麦麸和苹果标准化饲养。实验从三龄幼虫开始，单头置于透明塑料容器，分别接受PS、PE、CP或对照处理，并在需要时补充小麦麸和苹果。到达成虫后配对，提供小麦麸和苹果7天，随后分离并监测至死亡，雌性提供滤纸产卵，记录卵数和孵化成功。研究得出，持续摄入传统塑料和生物塑料对幼虫发育和成虫适合度产生负面影响；但CP在某些性状上优于PE和PS，或与对照相同。意义在于揭示长期摄入传统塑料和生物塑料对复杂生活史昆虫的潜在种群后果，并提示可堆肥塑料并非在所有指标上无害。

技术方法概括：研究个体来源于墨西哥城及其都市区若干群落。实验以三龄幼虫起始，设置PE、PS、CP和对照四处理并个体饲养至成虫，记录发育时间、死亡、成虫体重、孵化率、产卵量和阶段存活。统计采用线性混合模型（linear mixed model, LMM）、Kruskal-Wallis检验及Dunn事后检验、方差分析（analysis of variance, ANOVA）及Tukey事后检验、二项分布/logit广义线性模型（generalized linear model, GLM）分析化蛹概率；采用Cormack-Jolly-Seber（CJS）单状态和多状态模型，在Nimble中以贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo, MCMC）估计存活，使用WAIC选模。

各生命阶段发育速率：通过LMM分析幼虫到蛹时间，四组存在显著差异（F_3,37.12=34.452，P<0.001）。对照边际均值49.23，CP 83.89，PE 87.14，PS 94.58；对照与三者均显著P<0.001；PS比CP显著更长P=0.046；CP与PE、PE与PS无显著差异。通过ratioPL和GLM分析化蛹概率，处理有显著影响（χ²₃=410.27，P<0.0001）；对照化蛹几率高于CP（OR=1.68）、PE（OR=1.71）和PS（OR=1.81），均P<0.0001；CP、PE、PS之间无显著差异。通过Kruskal-Wallis分析蛹到成虫时间，差异显著（H=47.64，df=3，P<0.001）；对照7.67±0.05天短于PE 8.35±0.09天和PS 8.11±0.12天（P<0.0001）；PE与CP 7.84±0.07天差异P=0.001；其他比较不显著。

死亡率：通过Kruskal-Wallis分析幼虫到蛹死亡数，差异显著（H=9.16，df=3，P=0.027）；对照4.0±1.68仅与PS 20.75±4.11显著P=0.041，与PE 13.50±4.94和CP 17.43±2.3不显著。通过ANOVA分析蛹到成虫死亡数，差异显著（F_3,16=10.61，P<0.001）；对照2.2±1.16和PE 4.2±1.16低于CP 9.8±0.73，Tukey P=0.005；PS与各组无显著差异（与PE P=0.05，与CP P=0.08，与对照 P=0.05）。

成虫终体重：通过Kruskal-Wallis分析，四组差异显著（H=309.85，df=3，P<0.001）；对照0.0428 g±0.00026重于其他三组（P<0.001）；PE、PS和CP彼此差异P<0.001；PE最低0.0314 g±0.00023，CP最高0.0385 g±0.00041，PS中间0.0340 g±0.00044。

孵化率与繁殖力：通过Kruskal-Wallis分析存活配对孵出幼虫数，差异显著（H₃=56.40，P<0.001）；对照27.46±0.80高于PE 17.90±0.51和PS 21.09±0.72（P<0.001）；对照高于CP 22.41±0.67（P=0.028）；CP高于PE（P=0.009）；其他实验组比较不显著。

各生命阶段存活率：通过CJS模型，处理比年龄更能解释存活（WAIC：ψ_trat, p=14.343；ψ, p=15.809；ψ_age, p=16.148）。多状态模型以幼虫、蛹、成虫和死亡为状态。年龄降低蛹和成虫存活概率。蛹平均存活phi_P=0.88，对照phi=0.91高于处理组；成虫平均存活phi_A=0.79，对照phi=0.82。蛹和成虫存活率变异较大且较低，幼虫phi_J高且变异小。处理对存活概率影响类似对照，主要影响蛹和成虫阶段。

讨论部分：研究人员认为，持续饲喂传统塑料或生物塑料对幼虫发育和成虫适合度产生负面影响，但CP在某些性状上更高（成虫更重、后代更多）或与对照相同（蛹到成虫时间）。摄入这些产品延迟幼虫和蛹发育，增加死亡率（幼虫到蛹仅PS；蛹到成虫PE或CP），降低成虫体重和存活。发育延迟的可能解释包括摄食塑料从早期幼虫开始且持续时间较长；发育延迟增加捕食、寄生和寄生蜂威胁；昆虫需达最低体重才能完成变态；体重降低可能延长幼虫发育。机制包括营养缺乏、传统塑料含邻苯二甲酸酯和双酚A等有毒元素、CP含热塑性淀粉或甘露糖醇等、消化道阻塞、微生物群改变或菌群失调（dysbiosis）。死亡率结果与其他研究有差异，如 Drosophila melanogaster 雄性摄入PS微塑料死亡率较高，黑水虻摄入生物塑料未增加死亡率；本研究中RatioPL显示处理仅弱影响各阶段存活，主要效应是延长发育时间，使化蛹几率较对照降低40–45%。繁殖方面，处理组存活配对的后代数显著低于对照。油源微塑料可诱导氧化应激、干扰性激素、改变类固醇生成基因转录，可能损害繁殖。塑料摄入导致生活史性状受损并表现为表观权衡并不新颖，新的是CP摄入也可产生与传统塑料相似的负面效应。CP可能含有与传统塑料类似的有毒成分；多数CP除热塑性淀粉基础外，还可能含石油衍生塑料或生物塑料以及增塑剂。PLA可降低接近化蛹的黄粉虫幼虫存活和体重；甘露糖醇作为CP常见添加剂，在 Drosophila melanogaster 幼虫中负影响存活并减小成虫尺寸；对43种生物基和可生物降解产品分析发现，67%显示基线毒性（baseline toxicity），42%导致氧化应激，23%诱导抗雄激素活性（antiandrogenicity）。局限性是塑料确切毒性成分未知，难以控制，这些成分可能也伤害甲虫。

结论翻译：尽管先前研究已分析微塑料消费对不同昆虫物种的影响，但关于长期效应的证据有限，即从早期幼虫阶段、经变态、至成虫并最终到繁殖阶段。本研究还纳入了一种生物塑料，近年来其被建议作为传统塑料的替代品。总体而言，研究人员发现PE和PS消费对所分析大多数变量有害，增加幼虫发育时间和死亡率（从蛹到成虫），降低成虫生物量，并导致更少后代。虽然饲喂可堆肥塑料的昆虫在某些情况下表现出与饲喂PE和PS相似的结果，但值得注意的是，该组成虫体重更高、后代数量更多，甚至其幼虫发育时间与对照组相同。未来工作需揭示为何在某些变量中可堆肥塑料与传统塑料具有相同负面效应，而在其他情况下不影响甚至对昆虫模型更好。