新鲜粪便的添加促进了超级蠕虫（Zophobas morio幼虫）的塑料摄入量，这与提供能够产生γ-氨基丁酸的细菌有关

《Bioresource Technology》：Fresh frass supplementing promoted plastic consumption of superworms ( Zophobas morio larvae) correlated with providing γ-aminobutyric acid-producing bacteria

幼虫肠道菌群失衡导致塑料降解效率下降，补充小麦 bran幼虫粪便可恢复菌群结构并提升降解能力，其机制与SCFAs、GABA等代谢物相关。

　　

康亮|云佳|陈旭东|丁斌

山东科技大学安全与环境工程学院，中国山东省青岛市266590

摘要

Zophobas morio的幼虫能够降解塑料，但其降解效率有限。本研究分析了这些幼虫的塑料消耗能力，发现随着塑料摄入量的增加，幼虫的塑料消耗量下降，肠道微生物群也发生了紊乱。有趣的是，喂食添加了小麦麸皮（以促进塑料降解）的幼虫所排出的粪便能够显著提高其塑料消耗能力，同时肠道微生物群及其代谢产物（包括短链脂肪酸和促进食欲的神经递质γ-氨基丁酸）也得到了显著恢复。此外，与肠道稳态、细胞生长、免疫系统和消化系统相关的肠道组织基因也发生了调控。体外研究表明，新鲜的粪便中含有活的Pediococcus pentosaceus、Lactococcus cremoris和Ligilactobacillus salivarius，这些菌株都具有产生γ-氨基丁酸的能力。本研究实现了对传统饲养幼虫粪便的废物再利用，并揭示了传统饲养方法与塑料降解之间的协同作用。

引言

近年来，某些昆虫（如Zophobas morio的幼虫）已被证实具有消耗和降解塑料的能力（Yang等人，2020年）。然而，它们对塑料的食欲和降解能力仍然是工业应用中的重要限制因素（Wang等人，2024年）。研究表明，塑料摄入会改变Z. morio幼虫的肠道微生物群结构（Wang等人，2024年）。事实上，肠道微生物群结构的稳定性对宿主的健康和食欲至关重要。昆虫肠道微生物群与其宿主之间存在复杂而密切的相互作用，涉及营养代谢、生长、繁殖和进食行为的调节（Zhu & Thompson，2019年）。

昆虫的进食行为与其肠道微生物群密切相关（Zheng等人，2022年）。实验证据表明，肠道微生物群通过转录调控化学感应基因来调节宿主的进食偏好，从而改变昆虫的气味感知和食物选择行为（Li等人，2023年）。作为神经信号传导的关键化学物质，神经递质对于调节昆虫的食欲至关重要（O'Donnell等人，2020年）。研究表明，肠道微生物群可以通过改变神经递质的合成和宿主的释放机制来影响进食行为（Schmidt & Engel，2021年）。例如，γ-氨基丁酸（GABA）在昆虫肠道中是一种强烈的食欲刺激神经递质（Zhang等人，2022年）。研究还表明，果蝇中的GABA受体表达可以促进食物摄入（Cheung & Scott，2017年）。此外，昆虫肠道中的GABA水平与肠道微生物群的组成和活性密切相关（Henriques等人，2020年）。包括Lactobacillus brevis和Enterococcus avium在内的多种肠道微生物具有产生GABA的能力，这直接将微生物代谢与昆虫行为联系起来（Barrett等人，2012年）。

肠道微生物群不仅通过调节神经递质代谢来调控进食行为，还产生多种化学物质来影响昆虫的进食。肠道衍生的化合物，如短链脂肪酸（SCFAs）、胆汁酸、胺类、氨基酸衍生物和微生物相关分子模式，通过信号传导机制刺激能量代谢并调节食物摄入（Gao等人，2025年）。SCFAs是昆虫肠道微生物群产生的最重要的代谢产物之一。膳食纤维以及蛋白质和肽类被肠道微生物代谢生成乙酸、丙酸、丁酸等SCFAs。一方面，SCFAs促进肠道上皮细胞的增殖并增强紧密连接蛋白（如ZO-1）的表达，从而降低肠道通透性并维持肠道屏障的完整性。实际上，肠道屏障的完整性是维持食欲的重要保障（Grigioni等人，2022年）。另一方面，SCFAs还能缓解肠道炎症并调节肠道微生物群的组成（Song等人，2023年）。此外，研究表明SCFAs会影响肠道内神经递质的释放。具体来说，乙酸、丙酸和丁酸可以调节5-HT的分泌，而5-HT是昆虫食欲调节中的关键神经递质（Ntiri & Wong，2025年）。相反，5-HT也可以反过来调节昆虫肠道微生物群的稳态（Zeng等人，2022年）。此外，丙酸在Drosophila melanogaster幼虫中是一种重要的食欲刺激信号（Depetris-Chauvin等人，2017年）。

粪便微生物群移植（FMT）是一种成熟的新兴技术，通过将处理过的健康供体微生物群移植到受体体内来恢复其微生物平衡。FMT是一种经过临床验证的治疗方法，可用于调节肠道微生物组结构和代谢产物，从而调节食欲并治疗多种疾病（Kelly等人，2021年）。鉴于塑料摄入会导致Z. morio幼虫的肠道微生物群结构发生紊乱，以及肠道微生物群与昆虫进食行为之间的密切关联，我们提出了本研究的中心假设：为喂食塑料的幼虫补充来自小麦麸皮饲养的同种幼虫的新鲜粪便，可能类似于FMT的作用机制，即调节肠道微生物群结构，从而提高幼虫的塑料消耗能力。此外，还将研究这种作用机制是否与关键肠道代谢产物（如短链脂肪酸和γ-氨基丁酸）有关。因此，我们首先使用16S rRNA基因测序技术研究了Z. morio幼虫的塑料消耗量与肠道微生物群结构之间的相关性。随后，通过多组学整合分析，阐明了来自小麦麸皮饲养的Z. morio幼虫的新鲜粪便对幼虫塑料降解能力的影响及其潜在机制。

部分内容片段

Z. morio幼虫和材料的来源

直径为1毫米的聚苯乙烯泡沫颗粒从材料批发市场购买。其重量平均分子量（Mw）为255.3 kDa，数平均分子量（Mn）为94.2 kDa。Z. morio的幼虫在广东省阳春市的万利农场生产。购买的幼虫在实验室条件下适应了5天后，从中挑选出体重在0.5至0.6克之间的健康个体进行后续分组实验。

聚苯乙烯摄入对幼虫塑料消耗和肠道微生物群的动态影响

为了研究Z. morio幼虫随时间变化的塑料消耗能力，首先测量了第0天、第3天和第12天每200只幼虫消耗的聚苯乙烯量。如图1A所示，随着塑料暴露时间的延长，塑料消耗量逐渐减少，D0天与D6天或D12天之间存在显著差异，而D6天与D12天之间的差异则不那么明显。

为了探讨塑料消耗与肠道微生物群结构之间的关系，

结论

本研究系统地研究了新鲜粪便对Zophobas morio幼虫降解聚苯乙烯（PS）能力的调节作用及其潜在机制，为昆虫介导的塑料生物降解技术提供了新的理论基础和应用策略。结果证实，来自小麦麸皮饲养幼虫的新鲜粪便显著提高了幼虫的塑料摄入量和降解效率，这归因于其对肠道微生物群的调节作用。

作者贡献声明

康亮：撰写初稿、验证、方法学设计、资金获取、数据管理。云佳：验证、数据分析、数据管理。陈旭东：验证、软件应用。丁斌：撰写与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52400173和52276091）和山东省博士后科学基金（编号：SDCX-ZG-202303030）的支持。