从昆虫到生物催化剂：用于塑料降解的昆虫肠道菌群——综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bugs to biocatalysts: insect gut consortia for plastic degradation – A review

　　

•昆虫肠道整合宿主生理与微生物群落，实现可塑性的物质转化
•多组学揭示了分布于宿主与微生物功能中的催化网络
•高分子化学与肠道理化环境共同塑造宿主-微生物组转化过程
•无细胞酶与合成群落为塑料增值回收提供了途径
•碳流与代谢物平衡对于验证真实生物降解至关重要

引言
全球塑料年产量已突破4亿吨，预计到2060年累计产量将增至目前的近三倍，然而仅有少量遗留废弃物得到机械回收或化学回收（OECD，2022）。聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等通用高分子聚合物因其化学惰性碳骨架、高结晶度和疏水表面，难以被传统生物途径降解；一旦释放，它们可在陆地和海洋环境中持续存留数十年，导致碳循环紊乱、生境改变以及难以逆转甚至不可逆的生态毒理学后果[1]。从城市径流到沿海密集型旅游等活动，人为干预不断加剧了水生和陆地生态系统中持久生成、碎片化且广泛分布的塑料污染。环境调查显示，塑料浓度及聚合物类型随人类活动及旅游地点不同而变化，由此带来生态风险，并可能在局部尺度上影响碳循环[2]。为应对这一普遍性的废弃物堆积问题，必须将创新性的生物增值工艺与智能废弃物分选系统相结合，例如计算机视觉模型[3]。酶促解聚合是一种潜在的塑料修复方法，多种工程化改造的聚对苯二甲酸乙二醇酯水解酶展示了超过16 g·L?1·h?1的产率[4]，但非可水解性聚烯烃的解聚合仍然困难。这一局限表明，寻找昆虫消化系统等替代性生物平台以降解并生物转化持久性塑料聚合物至关重要[5]，[6]。近期，基于自组装肽-氧化石墨烯纳米纤维的酶模拟系统也被开发用于降解PET，凸显了工程化催化界面作为天然酶替代品的潜力[7]。然而，上述成功很难复制到PE、PS、PP和PVC上，因为后者都不具备PET那类易于水解的酯键。此外，尚无单一酶或微生物被广泛证实能高效降解这些聚合物。在环境或工业相关条件下，由单一酶或微生物完全矿化这些聚合物的案例，目前也未被证明具有普适效率[8]。

近期研究揭示了一条通过食塑昆虫肠道微生物组解决塑料降解难题的新路径。黄粉虫幼虫是最早被证实可生物降解PE的昆虫之一，它将摄入的聚合物碳中相当一部分转化为CO?，同时肠道微生物富集了如大肠杆菌属和科罗尼菌属等与食塑相关的类群[9]。黑粉虫幼虫已被证明能够摄食并解聚合低密度聚乙烯和发泡聚苯乙烯。抗生素处理实验表明该过程依赖于微生物组，尽管具体致因类群尚未确定，但也不能排除宿主来源酶或非靶向效应的可能作用[10]。类似的微生物依赖性降解现象也延伸至PP：经抗生素处理的黄粉虫和黑粉虫幼虫，其聚合物分子量显著低于未处理对照组，表明大肠杆菌属和克鲁维耶氏菌属分别是各自宿主中潜在的关鱼类群（Yang等，2020）。此外，已报道东方蜚蠊可通过宿主与微生物共同参与的协同酶网络生物降解PS微塑料，表现为聚合物质量大量损失、分子量下降以及同位素证据支持的矿化迹象。关键的是，宿主代谢途径似乎能直接代谢微生物降解产物，为宿主与微生物组之间的功能性代谢整合提供了证据（Li等，2026）。跨多种昆虫（包括黄粉虫、蜡螟和黑粉虫）的比较饲喂试验表明，PS降解程度和化学途径存在显著差异，同时肠道微生物组成呈现物种特异性改变[13]。

这种宿主-微生物组互作机制为将昆虫肠道视为一体化生物反应器提供了基础，而非仅仅是降解微生物的偶然栖息地。宿主摄食行为、肠道理化性质及定植微生物群等因素协同作用，宿主与微生物催化的相对贡献会随聚合物类型和昆虫物种而异。塑料处理可能涉及多个相互关联的过程，包括机械碎裂、微生物附着与生物膜形成、表面氧化、酶促解聚合、生物乳化，以及对低分子量产物的后续代谢（图1）。除降解本身外，微生物对塑料衍生底物的转化还可实现其进一步增值，例如，Brucella intermedia ZL-06菌株可利用尼龙6,6微塑料水解物生产基于细菌多糖的絮凝剂，展示了从塑料转化到形成增值生物产品的潜在途径[14]。值得注意的是，在不同昆虫-聚合物体系中，宿主与微生物组的相对贡献并不一致。抗生素处理实验表明，在多个体系中肠道微生物组被破坏后，塑料转化程度有所下降；但其他研究则指出，即便微生物受到严重干扰，转化过程仍可延续，暗示宿主来源酶起到了贡献作用[11]，[15]。因此，昆虫介导的塑料转化应被视为一个从宿主主导到微生物组主导以及协同过程的连续谱，而非单一普适路径。

多组学技术的并行进展已开始解析这一变异性背后的分子架构。对饲喂PS的黄粉虫幼虫进行宏转录组分析，发现了漆酶类多铜氧化酶、细胞色素P450以及其他与木质素降解途径共享的氧化酶上调现象，并在大肠杆菌中异源表达被诱导基因lac640，证实其能够同时降解PS和木质素，表明塑料降解活性可能起源于祖先木质纤维素降解机制[16]。对以含塑饲料喂养的黑水虻幼虫进行鸟枪法宏基因组测序显示，在塑料暴露后，肠道宏基因组中DyP型过氧化物酶、多铜氧化酶和烷烃单加氧酶显著富集，为氧化性塑料降解机制从鞘翅目向双翅目宿主的趋同支持提供了延伸证据[17]。此外，功能与生化研究开始逐步解析PVC的化学机制，PVC在四种聚合物中历来最难降解：从斜纹夜蛾肠道中分离出的一种肠球菌菌株编码一种NAD依赖性氧化还原酶，能在体外直接对无添加PVC进行脱氯[18]；从黄粉虫肠道中分离的不动杆菌和芽孢杆菌则通过过氧化氢酶-过氧化物酶及两种漆酶对PVC进行解聚合和脱氯，基于AlphaFold3预测模型的结构对接阐明了这些酶如何与聚合物链结合[19]。综合这些发现，昆虫肠道可被视为一个尚未充分开发的聚合物活性生物催化剂宝库，可用于作用PE、PS、PP和PVC。

除了因果与生物催化意义，该昆虫肠道模型与绿色化学及废弃物增值的更广泛科学方向高度契合。尽管昆虫肠道酶特有的常温、无溶剂生物催化在能耗和有害副产物生成方面天然低于热解和焚烧路线，但后者目前仍是大多数非PET塑料废物的主要处理方式[20]。将昆虫来源生物催化剂与现有塑料回收生命周期评估及工艺经济评估进行基准比对，可以量化而非主观假设其环境可持续性，从而将酶促PET解聚合已建立的循环经济模式，扩展至规模更大且目前尚未得到有效处理的PE、PS、PP和PVC废弃物流[21]。值得注意的是，要发挥这些生物功能在塑料回收与增值中的实用价值，昆虫肠道内观察到的复杂转化过程必须被转化为定义明确的酶、微生物群落或无细胞催化系统。

尽管该领域研究发展迅速，但当前缺乏一种系统性综合，将昆虫介导塑料转化的生理、微生物、酶学与分子层面整合为连贯的功能范式，并批判性评估整体生物水平的观察结果如何转化为工程化生物催化系统。尽管近期综述已概述昆虫与细菌在塑料降解背景下的互作，并探讨了昆虫来源解聚合酶的潜力，但相关证据仍分散于不同昆虫物种、聚合物类型、微生物群落、酶系统及组学方法之间[22]，[23]。此外，聚合物消失、解聚合、生物降解与矿化代表了不同层级的转化，若无适当实验证据，不应被视为等同。基于碳流测量、代谢物鉴定及质量平衡方法对于支撑完全塑料转化的主张至关重要[24]。

近期综述概括了参与塑料降解的昆虫-微生物组互作以及昆虫来源解聚合酶的潜力，但通常聚焦于特定的昆虫-聚合物对、微生物伙伴关系或酶发现。本综述在此基础上进一步整合了PE、PS、PP和PVC等多种聚合物的数据，构建综合的宿主-微生物组-酶系统。它清晰区分了聚合物消失、解聚合、生物降解与矿化等不同阶段，同时分析了机械碎裂、宿主因素、微生物氧化、代谢交叉饲喂及宿主吸收各自的贡献[17]，[25]。这一统一框架将聚合物可及性、氧化启动、微生物协作、代谢加工和宿主吸收等功能角色联系起来。此外，本综述将这些生物机制与现代技术联系起来，包括多组学研究、AI驱动的功能发现、蛋白质工程、合成微生物群落以及无细胞生物催化，概述了从昆虫肠道多样性向可规模化的塑料回收与增值方案转化的路径。

章节摘要
塑料、害虫与途径：昆虫肠道前沿
过去十年间，越来越多的实证支持表明，多种甲虫和蛾类幼虫，包括黄粉虫、黑粉虫、蜡螟和斜纹夜蛾，能够摄食并转化多种合成聚合物，包括PE、PS、PVC和PP，即使这些塑料构成了主要或唯一的碳源[9]，[16]，[26]。在这些昆虫中，黄粉虫表现出较高的PE和PS转化速率，高达摄入PE的49%被转化为CO?，并能摄食

昆虫消化道中的协同代谢
昆虫消化系统可被视为一种一体化生物反应器，其中实验已证实的机械、理化、微生物和宿主过程可能在塑料转化过程中顺序或协同地相互作用[6]，[55]。与单一微生物系统不同，昆虫肠道是一个动态系统，机械消化提高了聚合物的可及性，宿主胃肠道消化酶增加了生物可利用性。

肠道群落而非孤立超级生物
昆虫降解塑料的过程越来越多地被认识到是群落层面的代谢活动，而非单一超级细菌的工作。底物可及性受宿主消化因子和生物乳化因子的调节，这些因素共同促进聚合物定殖、氧化功能化、寡聚物裂解、中间产物利用以及碳素下游同化，由肠道群落的不同成员分担完成[6]，[55]。初级降解者可以氧化。

组学驱动的新一代生物催化剂发现
昆虫肠道的功能性挖掘日益呈现多组学特征，与塑料降解相关功能的鉴定并行推进。传统培养仅能回收微生物多样性的少部分，可能遗漏携带稀有聚合物活性酶（能够氧化、水解或转化聚合物）的生物体。培养非依赖型宏基因组学的优势在于能够直接测序群落DNA，从而挖掘丰富物种的基因组潜力。

从肠道生物学到工业化放大/增值
为将昆虫肠道介导的塑料降解放大至工业生物回收，下一步是转向定义明确的酶系统和工程化微生物群落[22]。在自然系统中，昆虫肠道允许形成代谢分工，聚合物的氧化、裂解为寡聚物、寡聚物加工和碳素同化由不同微生物承担[61]，[94]。这些过程的重组。

昆虫肠道微环境与生理因素
昆虫消化道是特种化的生物反应器，涉及解剖区室化、pH梯度、氧化还原动态、水力停留时间以及宿主来源表面活性剂等的组合（图6），这些因素均在调节塑料转化中发挥作用[33]，[70]。这些生理条件可能通过微生物酶产生局部环境，从而在体内增强降解效率[12]，而在传统体外条件下难以复现。

高通量筛选与定向酶进化
将昆虫肠道微生物多样性转化为工业生物催化剂，需要结合超高通量筛选（uHTS）、液滴微流控、功能性宏基因组学和定向进化（图7）。

微升液滴中的隔室化能够维持基因型-表型间的关联，并允许从宏基因组文库所产生海量序列空间中快速筛选数百万种酶变体或微生物细胞，而这些通过传统方法无法高效实现。

**昆虫介导塑料降解中的动力学差异**

塑料降解研究的一个关键挑战在于，原始质量损失并不能直接反映昆虫对塑料的实际酶促解聚过程，尤其是在黑水虻（*T. molitor*）和大蜡螟（*Z. atratus*）中[6]、[10]。然而，这些幼虫能够大量摄食塑料。尽管文献报告了较高的摄食率，但摄食与化学降解之间存在着根本性的关联，而基于重量的测量方法无法捕捉到这一关联[10]、[139]。

**标准化失败与方法学不一致性**

不同昆虫物种之间显著的方法学差异使得定量结果的直接比较十分困难，因此构成了评估昆虫介导塑料降解的主要挑战[6]、[140]。摄食效率以截然不同的方式被报告，包括每100只幼虫每天基于重量的质量损失、每只幼虫的质量损失，或在14-60天暴露期内以百分比重量损失表示[37]。此外，这些差异源于……

**体内效率差距**

分离的肠道细菌菌株具有降解聚合物的基本能力，但其纯培养条件下的聚合物降解速率远低于整个幼虫消化道所展现的水平[27]、[31]。这一效率差距的主要原因是，幼虫肠道是一个天然生物反应器，它协调宿主消化酶、微生物群落和生理条件，而这些在简化的离体培养中难以复现[17]、[31]、[144]。

**纯培养中缺失的理化触发因素**

在降解塑料时，纯微生物培养物的表现通常不如昆虫消化道，原因是缺乏昆虫肠道中存在的关键理化触发因素。最可信的缺失要素包括：宿主和微生物组来源的乳化因子，它们可提高底物生物利用度；触发氧化解聚的活性氧物种；以及协调宿主-微生物协同代谢的动态肠道微环境[27]、[29]、[150]。

**对"矿化幻觉"的方法学批评**

目前，塑料降解评估广泛应用质量损失法、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和生物膜成像方法，但单独使用其中任何一种方法都无法得出真正生物降解、矿化或碳同化的结论。通常，质量损失被用作衡量已消失材料量的指标，可能受添加剂浸出、盐类吸收、碎片回收不完全和实验误差的影响；FTIR可以检测化学变化，如……

**聚合物降解研究中的碳流追踪**

聚合物质量损失是常用的降解指标，但它仅反映表面侵蚀，可能无法区分微生物降解与碎裂为微塑料[144]、[168]。此外，添加剂浸出导致测得的重量损失反映的不是实际的聚合物质量损失，而是人为的，从而夸大了微生物的表观降解能力[156]。矿化（最终生物降解终点）是解聚产物被……的过程。

**碎裂与矿化的区分及评估塑料降解中的方法学缺陷**

碎裂和矿化是两个完全不同的过程，对环境的影响也各不相同。非生物或生物碎裂将聚合物链分解为更小的颗粒（包括低聚物、单体，甚至更小的碎片），但并不能确保这些产物被微生物消耗[170]。通常，首先观察到的降解阶段是聚合结构的解体，但所产生的碎片可能被保留在……

**鸟枪法宏基因组学在预测功能方面优于证实原位塑料催化作用**

多组学方法有助于预测塑料降解潜力，但无法可靠地证明原位聚合物降解，尤其是对聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等高度难降解的塑料[92]、[176]。一个核心障碍是持续存在的基因型-表型鸿沟：虽然可以通过鸟枪法测序获取序列和分类学背景信息，但要证明某种酶的表达……则面临更加严峻的方法学挑战。

**合成群落的现场部署仍受限于实验室到田间转化的瓶颈**

微生物群落在受控的生物修复实验中表现稳定一致，但在高污染现场环境中无法与本地物种竞争。相反，微生物群落虽在受控生物修复实验中表现良好，但在高污染现场环境中表现不佳，因为本地物种会竞争排斥引入菌株。这些长期的转化挑战源于生态错配、方法学不确定性……

**昆虫幼虫用于塑料生物修复的现场部署：生物约束与二次微塑料风险**

依赖活体昆虫幼虫进行大规模塑料生物修复受到塑料营养价值差、纯塑料饮食条件下高死亡率以及粪便中排出二次微塑料的限制[194]。技术经济分析进一步表明，维持工业级处理所需的庞大幼虫生物量在能源和经济上均不可行[195]。除碳和氢外，塑料缺乏其他必需营养元素，而这些是……

**无细胞生物催化平台展现工业前景但面临经济与稳定性挑战**

无细胞生物制造的优势在于能够以即插即用的方式组装酶促途径，并提供灵活的反应条件和直接获取反应环境的能力[202]、[203]、[204]。这些平台可以消除生物体存活与生产目标之间的基本矛盾，从而将所有资源最大限度地输送到目标产物形成中。这些优势减轻了整细胞体系的缺陷，如有毒性和代谢物竞争……

**技术经济与可扩展性约束**

对昆虫介导工业催化的性能量化是评估其工业适用性的先决条件，也是与机械回收、热化学回收和酶促回收技术进行比较的基础[4]。由于每天塑料消耗量低且维持活体昆虫的代谢能量需求高，需要生产大量幼虫生物量来处理相对较少的聚乙烯，从而造成显著的经济和……

**绿色化学、废物增值与环境可持续性**

本文提出的昆虫肠道-微生物群落方法不仅仅是一条新型生物催化剂发现管线，它直接与当前制约传统塑料末端管理的绿色化学、循环废物增值和环境可持续性的核心目标相一致，并在多个方面推进了这些目标（图9）。对于难降解聚烯烃和聚氯乙烯的热化学路线，如热解、气化和焚烧，仍然能源密集且产生……

**结论**

昆虫消化道作为一个复杂的生物反应器，通过整合宿主、微生物组和酶轴实现塑料转化。相比之下，昆虫介导的塑料转化依赖于单一微生物菌株或酶，以及机械生物碎裂、宿主来源的生物乳化、活性氧启动和涉及多铜氧化酶、DyP型过氧化物酶、细胞色素P450等的协同微生物酶级联反应。

**作者贡献声明**

Natarajan Mathimaran：撰写——审阅与编辑。Jothi Kanmani Bharathi：撰写——审阅与编辑、概念化。Krishnamoorthi Akash：撰写——初稿、概念化。Nidhi Dubey：撰写——审阅与编辑。Rengasamy Parthasarathi：监督指导。Arumugam Kanagavalli：撰写——初稿。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢在印度-瑞士联合研究项目（编号：BT/IN/Swiss/50/MN/2018-19）高级研究访问学者身份下获得的支持，该项目由印度生物技术部（DBT）资助。该项目授予了首席首席调查员兼项目协调员、副教授兼可持续发展与气候变化中心主任、生态与环境科学系、本地治里大学的Mathimaran Natarajan博士。

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