聚乳酸微塑料在黑水虻生物转化厨余过程中增强铜的生物有效性及对宿主与微生物群落的毒性作用：机制与多层面影响

《Journal of Hazardous Materials》：Polylactic acid microplastics enhance copper bioavailability and host–microbiome toxicity during black soldier fly bioconversion of food waste: Mechanisms and multi-level impacts

　　# 摘要- PLA微塑料在生物转化过程中提高了铜的生物有效性和幼虫积累量。- 联合暴露增强了黑水虻幼虫的氧化应激和解毒反应。- 转录组学揭示代谢从生长转向防御/解毒。- PLA微塑料和铜共同破坏了肠道/粪便微生物群落并阻碍腐殖质化。- PLA微塑料在化学、生理和微生物途径上放大了铜的毒性。# 引言随着城市化和人口增长，食物废弃物的产生量持续上升，给可持续废物管理带来了重大挑战[1]。全球每年约有13亿吨食物被浪费，占人类消费食物产量的近40%[2]。如果得不到妥善处理，食物废弃物在储存、运输和处置过程中可能进一步导致温室气体排放和其他环境风险[3]。在此背景下，黑水虻幼虫（BSFL，*Hermetia illucens* L.）被视为一种高效的食物废弃物资源化途径，因为它们能将低价值有机残留物转化为富含蛋白质和脂质的生物量[4]。然而，基于黑水虻的实际应用不仅取决于转化效率，还取决于污染物转移和产品安全性[5]，因为食物废弃物中往往含有多种污染物，可能影响幼虫性能以及衍生生物量和粪便的安全使用[6]。重金属是黑水虻生物转化中的关键污染物，因为它们具有持久性且可能在生物体内蓄积[7]。在这些污染物中，铜广泛存在于食物基质中，尽管其浓度因食物类型和生产环境不同而存在显著差异。据报道，美国食物中的铜浓度高达161 mg/kg，而在采矿受影响地区收集的食物动物组织中检测到的浓度高达224.3 mg/kg（湿重）[5]。由于废弃食物材料进入食物废弃物流，富含铜的食物残留物可能在食物废弃物处理过程中构成局部的高铜污染源。过量铜可能抑制黑水虻生长，导致金属在幼虫生物量中蓄积，从而降低处理效率并限制幼虫作为饲料原料的后续使用[8]。因此，黑水虻系统中的铜风险评估不仅应考虑总铜含量，还应关注其在基质-幼虫体系中的分布和生物有效性。与此同时，可生物降解塑料（BDPs）特别是聚乳酸（PLA）对传统塑料的日益替代，为食物废弃物处理系统引入了新的污染源[9]。尽管PLA通常被认为对环境友好，但在实际处理条件下可能无法完全降解，导致基质中形成可生物降解微塑料（MPs）[10]。塑料残留物可能存在于分拣后的食物废弃物中，在某些情况下，即使在预处理和去除杂质后仍可能占干重的约1%[11]。黑水虻幼虫对微塑料的摄入受幼虫年龄和口裂大小的限制。口裂在幼虫发育过程中逐渐增大，从孵化后第5天约20 μm增至孵化后第17天约110 μm，小于口裂的颗粒可被摄入[12]。最新证据表明，PLA衍生的微塑料可能对黑水虻幼虫产生浓度依赖性的生物学效应，低水平暴露时可能表现出有限或刺激性效应，但较高水平则会对幼虫生理和功能产生不利影响[13]。因此，在评估黑水虻介导生物转化的安全性和稳定性时，不应将食物废弃物中的残余PLA微塑料视为惰性背景材料。微塑料和重金属常共存于污染环境中，越来越多的证据表明微塑料可以改变金属的环境行为和生物学效应[14]。由于其较大的比表面积和表面官能团，微塑料可吸附金属离子并影响其迁移性、分配和生物有效性[15]。在水生和土壤生物中，微塑料与重金属的联合暴露与增强的金属蓄积、氧化损伤和代谢紊乱有关[16]、[17]。此前的研究分别探讨了PLA微塑料和重金属在黑水虻生物转化系统中的作用[8]、[13]。然而，它们的联合影响仍知之甚少，特别是在基质腐殖质化和幼虫分子水平的生理应激方面。这种相互作用在黑水虻中可能尤为相关，因为其中肠中间段腔体的pH值呈强酸性（pH 2.1 ± 0.1），而前肠和后肠的pH值分别为5.9 ± 0.1和8.3 ± 0.2[18]。这种酸性微环境可能促进摄入的PLA微塑料中弱结合铜的释放，从而增加体内暴露[19]。为弥补这一研究空白，本研究探讨了黑水虻食物废弃物生物转化系统对PLA微塑料和铜不同浓度梯度联合暴露的响应。分析了幼虫生长、废物减量、基质-幼虫体系中的铜迁移和铜形态。同时表征了基质腐殖质化和溶解性有机质性质的变化。进一步利用生化测定、转录组测序和基于16S rRNA的微生物群落分析来考察联合暴露下的氧化应激、解毒和代谢反应。通过将污染物行为与宿主和微生物响应联系起来，本研究旨在为有机废物处理系统中可生物降解塑料与重金属联合污染的生态毒理学后果提供机理层面的见解。# 章节摘要## 铜溶液和PLA微塑料的制备使用五水硫酸铜（购自国药集团化学试剂有限公司）作为铜来源，配制浓度为10,000 mg/L的储备液用于后续实验。本研究所使用的PLA微塑料名义粒径为106 μm（150目；上海嘉和塑料有限公司）。选择该粒径是为了研究接近后期黑水虻幼虫口裂上限范围的PLA微塑料。由于微塑料摄入取决于幼虫年龄、颗粒大小、形状以及……## 铜和PLA微塑料联合暴露对黑水虻幼虫生长性能和生物量转化的影响铜暴露导致黑水虻幼虫生长性能呈剂量依赖性下降。当铜浓度达到300 mg/kg时，幼虫体重、GR和BCR均显著低于其他处理组（*P* < 0.05）（图1a–c），表明高铜胁迫下存在显著的生长抑制[8]。然而，在较低铜暴露下，PLA微塑料并未一致降低生长相关性状，部分处理组中观察到轻微增加。类似的低剂量刺激效应也有报道……## 结论本研究证明，PLA微塑料能够改变黑水虻食物废弃物生物转化过程中铜的行为，而非仅作为惰性残留物。PLA微塑料的添加增加了铜向幼虫生物量的转移，并提高了更活泼且具有潜在生物有效性的铜形态的相对丰度。这些变化伴随着更强的氧化和解毒反应、能量代谢改变、微生物失调以及生物转化性能下降。因此，这些结果强调了需要……## CRediT作者贡献声明**卢锋**：项目管理，资金获取。**谭珊珊**：监督，软件，方法论。**张莹**：监督，软件。**夏敏**：可视化，验证。**王娟**：项目管理，方法论，调查。**刘璇**：验证，监督，软件。**胡方征**：撰写——初稿，验证，软件，形式分析，数据整理。**张秋卓**：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。## 利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益关系。## 致谢本工作受中国教育部基础学科与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM907）、上海城投（集团）有限公司科技创新计划（CTKY-CYHYD-2022-001）以及上海市国资委企业创新发展和能力提升项目（2022032）资助。---**作者：** 胡方征 | 刘璇 | 张莹 | 谭珊珊 | 王娟 | 夏敏 | 卢锋 | 张秋卓