ABSTRACT

Polistirenul sau PS este unul dintre materialele plastice care contribuie la poluarea mediului, cu durabilitatea și rezistența sa la biodegradare. Cercetări recente au descoperit că viermii de masă (Tenebrio molitor) și supervermii (Zophobas morio) sunt capabili să utilizeze polistirenul ca sursă de hrană cu carbon și să-i degradeze fără efecte toxice. În acest studiu, am studiat aditivii alimentari pentru a crește consumul de plastic și am constatat că adăugările mici de zaharoză și tărâțe au fost capabile să încurajeze consumul de PS. Pentru a închide ciclul carbonului din plastic, am evaluat, de asemenea, utilizarea bobului de vierme pentru creșterea cactușilor-balauri (Hylocereus undatus) și am constatat că burta de viermi a susținut înrădăcinarea și creșterea mai bine decât cea a viermelor de farfurie și mediile de control pe o perioadă de două săptămâni. Din rezultate, super-viermii s-au dovedit a fi o soluție naturală adecvată la problema plasticului PS, care poate sprijini, de asemenea, creșterea plantelor către un ciclu de bioremediere durabil zero-deșe.

creșterea

Introducere

Polistirenul (PS) sau cunoscut sub numele de Styrofoam, a fost inventat și sintetizat în jurul anilor 1950 1. Este un polimer foarte ușor, are o conductivitate termică scăzută 2 și poate fi sintetizat la diferite forme și dimensiuni, făcându-l un material extrem de versatil. De la material izolant pentru clădiri până la material de ambalare utilizat pe scară largă în alimente și băuturi, Styrofoam poate fi găsit în întreaga lume. Cu toate acestea, nu are un loc inofensiv în mediul marin sau terestru, rezultând acumularea și poluarea datorită rezistenței sale la degradarea chimică 3. În timp ce o gestionare actuală pe scară largă a deșeurilor de PS este prin incinerare, această metodă poate duce la vapori toxici în poluarea aerului 4-6, cauzând și sănătății umane 6 .

Viermii precum super-viermii (Zophobas morio) și viermii de masă (Tenebro molitor) aparțin familiei gândacului negru (Tenebrionidae) și sunt dăunători vorace în mod natural în agricultură, consumând stoc de cereale uscate, chiar dacă sunt surse de hrană în multe societăți 7. Viermii de mâncare s-au dovedit recent a fi capabili să consume și să metabolizeze materialele plastice 8 în condiții de siguranță, o capacitate atribuită bacteriilor intestinale comensale la acești viermi confirmată cu experimente de urmărire a izotopilor de 13 C-carbon 9. În stadiul de viermi, acestea pot fi menținute la densitate ridicată și pot excreta deșeuri bogate în azot sub formă de frass 10 care pot fi îngrășăminte potențiale pentru culturile de plante. Viermii sunt, de asemenea, bogați în chitină 11,12, o substanță chimică care se dovedește a îmbunătăți creșterea și randamentele plantelor 13-15. Mai recent, s-a raportat, de asemenea, că viermii consumă PS și cu o rată mai mare decât viermii de masă 16, demonstrând o promisiune în utilizarea supervermilor în lupta împotriva materialelor plastice.

Deoarece recipientele pentru alimente PS produc cea mai mare parte a deșeurilor PS, acestea sunt adesea contaminate cu deșeuri alimentare, complicând metodele de reciclare care necesită deșeuri de plastic curate. În acest aspect, utilizarea viermilor și evaluarea posibililor contaminanți alimentari pentru a accelera degradarea plasticului pot fi o soluție naturală care nu a fost încă pe deplin exploatată, mai ales dacă deșeurile viermilor pot fi la rândul lor folosite pentru a sprijini creșterea plantelor, în special producția agricolă a culturilor alimentare, făcând astfel viermii cheia transformării deșeurilor de plastic în îngrășăminte pentru producția de alimente cu zero deșeuri.

Pentru a evalua această posibilitate, acest studiu își propune să investigheze rolul aditivilor alimentari la degradarea plasticului de către viermi, precum și utilizarea frassului de viermi pentru planta dragonfruit (Hylocereus undatus) care ar putea fi cultivată cu ușurință chiar și în interior. Cactusul de fructe dragon a fost ales deoarece este o plantă de fructe de interior ușor de cultivat, cu potențiale aplicații agricole urbane.

Materiale și metode

Creșterea insectelor și colectarea de frass

Viermii (Zophobas morio) și viermii de masă (Tenebro molitor) hrăniți cu tărâțe au fost cumpărați ca hrană pentru animale de companie din diferite magazine pentru animale de companie din zona Clementi, Singapore. Pentru diferite condiții experimentale, acestea au fost cântărite și transferate în recipiente din polipropilenă (PP) (pe care viermii nu le pot mânca, Figura 1A & B) cu respectivele condimente alimentare testate. Colectarea buretei de vierme s-a efectuat prin cernerea conținutului recipientelor cu o sită de plasă pentru a îndepărta PS/mâncare și părțile de vierme nemâncate. Viermii au fost păstrați în cutii de carton cu o umiditate constantă de ~ 50% și o temperatură de ~ 25oC. Parametrii de mediu au fost monitorizați de dispozitivele Arduino asamblate (nu sunt afișate).

Imagini reprezentative ale setărilor pentru testarea ratelor de consum PS de către A) viermi de masă; B) Superworms. Atât pentru A, cât și pentru B, stânga sunt setările inițiale, iar dreapta a arătat setarea după patru zile în care s-a produs frass din consumul PS. (C) Configurarea cactușilor de fructe de dragon altoiți pe mediul de testare a frunzelor de ceai, tărâțe, MW și frass SW.

Experimente privind rata consumului PS

Rata naturală a consumului de PS (mg PS/g de vierme pe zi) de către viermi și viermi de mâncare a fost determinată prin creșterea fiecărui tip de vierme separat. Pentru a controla diferitele dimensiuni de viermi, greutățile totale de viermi între 6,22-10,76 g per set experimental cu 0,3-0,39 mg de bile PS de dimensiuni similare cu diametre cuprinse între 0,4 și 0,5 cm (Art friend, Singapore) au fost configurate (Figura 1A și B ). Pentru configurarea experimentală cu aditivi alimentari, bilele PS au fost premixate cu 25 mg de scorțișoară (Masterfoods, Australia), tărâțe (Bob’s Redmill, America), zaharoză de masă (grup Lippo) sau fără aditiv (martor) în recipiente din polipropilenă. Pentru a permite o mai bună aderență a aditivilor alimentari la bilele PS, s-au adăugat 0,9 ml de apă la amestec. Bilele PS au fost colectate după 4 zile și cântărite pe o balanță analitică pentru a determina cantitatea neconsumată. Viermii morți și greutățile totale finale ale viermilor vii au fost, de asemenea, înregistrate. Pentru analiză s-au folosit numai greutăți viermi vii. Toate experimentele au fost repetate în format sexual.

Wass Frass și Dragon Dragon (Hylocereus undatus) experimentează setările

Frassul de la viermi și viermi de mâncare crescuți exclusiv pe bile PS au fost folosiți ca mediu de sol 100% pentru cactușii Hylocereus undatus. Cactușii de bază au fost crescuți din semințe în medii de birouri interioare de mai bine de patru ani. Metoda de altoire a fost utilizată pentru a extinde cu succes cactuții de mai multe ori pe frunzele de ceai Oolong consumate. Pentru experiment, aceeași metodă de altoire a fost utilizată pentru a transplanta ramuri de cactuși pe mediul de testare și a crescut în pahare de vin din plastic reciclat în setări individuale (Figura 1C). Condițiile de testare folosite au fost frunzele de ceai, tărâțe, super-viermi și frăsuri de vierme pentru a acoperi cactuii altoiți suficient pentru a sta.

Cactuii altoiți au fost aliniați pe un pervaz și au fost udate la fiecare 2-3 zile pentru a uda mediul. Pe cât posibil, s-au aplicat condiții egale pentru toate setările în loturi triplate de 3-5 replici tehnice. Înălțimile cactușilor altoiți au fost măsurate înainte de altoire și după o perioadă de două săptămâni. Cactușii au fost îndreptați acolo unde este necesar, înălțimile fiind între vârf și tulpina inferioară (fără a include nici o rădăcină) pentru fiecare plantă. Înrădăcinarea observată a cactușilor altoiți a fost înregistrată calitativ cu fotografii.

Analiza GC-MS a super-viermilor

Pentru a caracteriza frassul, aproximativ 20 mg de bile PS sau frass de la super-viermi crescuți fie pe polistiren, fie pe tărâțe au fost mai întâi filtrate pentru a îndepărta PS neacoperit, dizolvate în solvent diclorometan de grad cromatografic cu gaz și incubate în tuburi de 2 ml pe un suport de agitare timp de 10 minute. Tuburile au fost centrifugate (14800 rpm timp de 5 minute) pentru a îndepărta solidele nedizolvate. Probele solubile în solvent au fost trecute printr-un filtru de seringă din teflon de 0,22 µm și analizate utilizând sistemul GC-MS (coloană HP 6890 cromatografie cu gaz HP-5MS și spectrometrie de masă HP 5973). Temperatura cuptorului GC a fost menținută la 50 ° C timp de 1 minut, apoi încălzită până la 250 ° C prin viteza de creștere a ramului la 10 ° C/minut, urmată de menținută la 250 ° C timp de 5 minute. Bilele PS dizolvate în diclormetan au fost utilizate ca martor pozitiv.

Rezultate

Efectele aditivilor/condimentelor alimentare asupra consumului de polistiren

Cactuși de fructe dragon crescuți pe frass, tărâțe și frunze de ceai după două săptămâni. (A) Două replici tehnice ale cactușilor crescuți pe frunze de ceai (a, b), tărâțe (b, f), stafide (c, g) și stafide (d, h). (B) Cactuții morți din setările de frăsuri de viermi de masă.

Graficele GC-MS (A) frass de la super-viermi hrăniți cu PS, (B) bile PS și (C) frass de la viermi de superworms hrăniți cu tărâțe, (D) Comparația frassului (de sus) de la viermi hrăniți de PS și (de jos) super-viermi hrăniți cu tărâțe.

Vârfurile identificate sunt rezumate în datele suplimentare Tabelul S2. Vârfurile majore identificate la nivelul super-viermilor sunt identificate ca octadecenamidă sau oleamidă. Oleamida (C18H35NO) este amida derivată din acizi grași și este marcată ca o amidă primară a acidului gras (FAPA) 18. Având în vedere prezența sa atât în ​​PS, cât și în tărâțe alimentate cu super-viermi, este probabil să apară în mod natural în frass.

Discuţie

Ne-am propus să investigăm efectele aditivilor alimentari asupra ratei consumului de PS de către viermi și super-viermi și posibilitatea ca singura lor să susțină creșterea plantelor folosind cactuși de fructe dragon, măsurând creșterea înălțimii și înrădăcinarea.

Un avantaj adăugat al viermilor de mâncare și al super-viermilor față de alți viermi este că, spre deosebire de muștele negre soldat care sunt utilizate în mod obișnuit pentru risipa de alimente 19, gândacii maturi întunecați au aripi/elitre topite și nu zboară, ceea ce face ca biocontenirea lor să fie mai ușoară pentru orice configurare a degradării plasticului.

Comparând viermii de mâncare și viermii de PS consumați în greutate de viermi pe zi, rezultatele noastre nu au arătat nicio diferență semnificativă între cele două tipuri de viermi (în funcție de condițiile de control din Figura 2), ceea ce era contrar unui raport recent 16 care raportează superioritatea supervermilor peste viermi de masă în consumul de PS. Această diferență în constatările supervermilor ar putea fi cauzată de variații ale tulpinilor sau de diferențe necunoscute de mediu/laborator.

Având în vedere că atât viermii cât și viermii au fost, de asemenea, evaluați ca fiind hrănitori, deoarece hrana pentru pești 20 și păsările de curte 11, viermele și super-viermii sunt degradanți valoroși din plastic care pot fi folosiți și pentru a furniza furaje rentabile în producția de alimente în agricultura urbană. În timp ce sunt necesare cercetări suplimentare pentru a se asigura că plastifianții sau alte produse de degradare a plasticului nu se bioacumulează și se introduc în lanțul alimentar la oameni (a se vedea analiza acumulării plastifianților în lanțul alimentar 21,22), abilitatea analizei noastre frass arată promițătoare pentru degradarea în mod rezonabil sigură a PS, o constatare în acord cu multe alte rapoarte 8,9,16,17,23

În analiza noastră de frass, nu am testat frassul de vierme de masă, deoarece acestea nu susțineau creșterea cactușilor noștri, iar literatura cu privire la viermii de masă care degradează plasticul era deja destul de extinsă 14.23. Din atenția noastră asupra frassului de super-viermi, nu am detectat produse de degradare toxice suplimentare notabile în frassul filtrat al super-viermilor hrăniți cu PS în comparație cu cei hrăniți cu tărâțe. Acest lucru sugerează că super-viermii au reușit să degradeze în siguranță bilele PS, deși acest lucru ar trebui evaluat în continuare într-o gamă mai largă de produse PS, inclusiv produse colorate sau alte produse PS cu aditivi înainte de punerea în aplicare în condiții reale.

Pentru ușurință în exploatare, s-a ales cactușii cu fructe de balaur (Hylocereus undatus), deoarece este o plantă de interior ușor de cultivat, care este atât o cultură ornamentală, cât și o cultură alimentară, care ar putea fi utilizată pentru a evalua frassul pentru o agricultură urbană ușoară. S-a constatat că singura super-vierme era mai bună la susținerea înrădăcinării (90% înrădăcinată la super-viermi, comparativ cu 45,4% în frunzele de ceai folosite) și a fost cel puțin la fel de eficientă ca și frunzele de ceai consumate pentru a sprijini creșterea măsurată prin creșterea înălțimii cactușilor peste o săptămână . Pe de altă parte, frăsarea viermilor de mâncare a dus la o mulțime de grefe eșuate, în timp ce mediile de tărâțe au dus la o înălțime slabă și un sprijin pentru înrădăcinare. Este posibil ca chitina din super-viermi să aibă înrădăcinare crescută (chitina a fost raportată anterior că sprijină înrădăcinarea 24) sau că a existat o altă auxină, cum ar fi compusul prezent, care ar necesita analize suplimentare. De asemenea, trebuie remarcat faptul că cercetătorii au descoperit că super-viermele este mai puțin înțepător decât mirosul de amoniac al nuanței de vierme, oferind mai mult sprijin dincolo de înrădăcinarea evidentă și creșterea comparabilă a cactușilor pentru utilizarea super-viermilor.

Lipsa de susținere a frassului de viermi de mâncare pentru creșterea cactușilor cu fructe de dragon este neașteptată, având în vedere un raport anterior 14. Această diferență se poate datora utilizării de 100% frass pentru evaluarea noastră sau datorită diferitelor cerințe nutriționale ale cactușilor de fructe dragon, sau diferenței de frass de la viermi de masă care sunt hrăniți pur cu PS. Poate fi posibil să adaptați acest lucru la aspectul altor plante.

Având în vedere că nu a existat niciun beneficiu cunoscut al frassului de viermi pentru cactuși în aranjamentele noastre și că consumul de PS atât de către viermi de mâncare, cât și de viermi nu a arătat nicio diferență, utilizarea supervermilor peste viermii de mâncare este propusă în închiderea buclei de la plastic la pește/păsări de curte. hrana pentru agricultura susținută de frass. Mai rămâne mult de studiat cu privire la posibila acumulare de plastifianți sau alte substanțe chimice derivate din plastic, precum și cu substanțe freatice pe o varietate de alte culturi alimentare, dar rezultatele actuale sunt promițătoare. De fapt, având în vedere că unele plante sunt capabile să elimine toxinele din mediu 25, este posibil ca orice substanțe toxice potențiale care provin din alte materiale plastice, să fie combinate cu fito-remedierea 25,26 .

Există cercetări interesante bazate pe enzime izolate din bacterii prezente în viermii consumatori de plastic 27-30, dar punerea în aplicare a acestui proces către degradarea completă în substanțe inofensive la scară industrială va necesita în continuare cercetări și inginerie suplimentare în fața unei probleme din ce în ce mai presante a deșeurilor de plastic. Între timp, soluția naturală a viermilor poate fi investigată pentru o implementare mai imediată, mai ales având în vedere că aceștia pot asigura simultan și agricultura urbană atât în ​​hrana pentru pești/păsări de curte, cât și în frasa lor pentru culturi alimentare. Viermii sunt naturali mai rezistenți la factorii de mediu în comparație cu enzimele pure și pot depăși obstacolele pentru enzime în cristalinitatea plastică sau accesibilitatea lanțurilor polimerice.

Setările atât ale consumului de PS de către viermi, cât și ale creșterii cactușilor susținute de frass au fost realizate toate în interior, demonstrând posibilitatea viermilor de a fi o soluție urbană ecologică pentru deșeurile de plastic și sustenabilitatea alimentelor care poate fi implementată pe scară largă, chiar și în interiorul caselor. Cu dovezi că aditivii alimentari măresc mai degrabă decât antagonizează degradarea PS, răspunsul naturii la viermi este o soluție scalabilă foarte potrivită atât la problemele de producere a poluării cu plastic, cât și la produsele alimentare (acvacultură și agricultură).

CONTRIBUȚIILE AUTORULUI

DWSK, BYXA, JYY, SKEG au efectuat experimentele de cultivare a viermilor și de creștere a plantelor. ZX a efectuat experimentele GCMS. DWSK, JYY, SKEG, au analizat rezultatele și au scris manuscrisul. SKEG a proiectat și a supervizat toate aspectele studiului. Toți autorii au citit și au aprobat manuscrisul.

Conflictele de interese

Autorii declară că nu există interese financiare concurente.

MULȚUMIRI

Această lucrare a fost susținută de fondurile de bază A * STAR. Autorii îi mulțumesc lui Ghin-Ray Goh, Benjamin Jun-Jie Aw, Elizabeth Yun-Ling Tay, Wen-Jie Tan, Xiaoyun Guan, Wai-Heng Lua pentru asistența acordată în creșterea viermilor și în părți din scrierea manuscrisului. De asemenea, mulțumim lui Alfred Huan pentru sprijin și acces la GC-MS.