昆虫の中にはプラスチックを食べるものもいます。廃プラスチックの処理について彼らに協力を求めることはできますか？

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

人工ゴムの登場以来、世界のプラスチック生産量は83億トンを超えました。しかし、プラスチックの普及に伴い、大量のプラスチック廃棄物が埋め立て地や環境に廃棄されています。適切に管理されなければ、これらの廃棄物は分解して有害な化学物質を放出し、それが食物連鎖に入り込み、あらゆるレベルの生物を汚染する可能性があります。

研究によると、直径5mm未満のマイクロプラスチックは人間の健康と生態系に潜在的な脅威をもたらすことがわかっています。これらが蓄積すると、遺伝毒性、免疫反応、酸化ストレスなどの問題を引き起こす可能性があります。これらは肺、血液、胎盤など人体の多くの部分で発見されています。

これらの現象により、マイクロプラスチックが炎症、内分泌かく乱、細胞損傷を引き起こす可能性があるという懸念が生じていますが、その具体的な影響についてはさらなる研究が必要です。近年、科学者たちは特定の昆虫がプラスチックを分解する可能性を持っていることを発見しており、プラスチック汚染の問題が解決されると期待されています。

毎年世界中で発生するプラスチック廃棄物の重量

（画像出典：参考資料2）

プラスチックは本当に生物の餌として使えるのでしょうか？

科学者たちは、プラスチックが生物の食物として利用できるかどうかを研究してきた。その中には、特定の甲虫や蛾の幼虫がプラスチックを食べる能力があることが実証されている。

現在までに、プラスチックを生分解できる昆虫種は11種が発見されており、主にゴミムシダマシ科（甲虫目）とメイガ科（鱗翅目）に属しています[3]。その中で、最も広く研究されている昆虫としては、ミールワーム（Tenebrio molitor の幼虫）、オオムギワラジムシ（Zophobas atratus の幼虫）、ワックスワーム（Galleria mellonella の幼虫）などが挙げられます。これらの昆虫は、ポリスチレン（PS）、ポリエチレン（PE）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリプロピレン（PP）、ポリウレタン（PU）など、さまざまな一般的なプラスチック材料を分解することができます[4-6]。

プラスチックを分解するコウチュウ目ゴミムシダマシ科とチョウ目メイガ科の昆虫

（画像出典：参考文献3）

昆虫はどのようにしてプラスチックを分解するのでしょうか?

昆虫によるプラスチックの分解は複雑な生物学的プロセスであり、一般的に5つの異なる段階に分けられます。プラスチックは昆虫の口器によって機械的に噛み砕かれ、その後腸に入ります。昆虫の腸は微生物の付着を促進します。プラスチックは高分子ポリマーであるため、酵素の作用によって脱重合され、オリゴマー断片が形成されます。これらのオリゴマー断片はさらに小さな分子に分解されます。昆虫の体はこれらの小さな分子を吸収し、エネルギー源として利用します。最後に、昆虫は最終生成物を体外に排泄します[7]。

しかし、脱重合能力は昆虫によって異なります。一部の昆虫の脱重合プロセスは腸内微生物に依存しています。例えば、インドメカノコギリガ（Spodoptera frugiperda）は、ポリエチレンを分解するために腸内の腸内細菌に依存しています[8]。

ワックスワームによるポリエチレンの分解は腸内細菌叢とは無関係である[9]。研究者らがワックスワームのホモジェネートをポリエチレンフィルムの表面に直接塗布したところ、ポリエチレンの質量が大幅に減少したことが分かりました。これはワックスワームの酵素がポリエチレン表面に直接作用して劣化を引き起こしている可能性を示唆しています。ミールワームによるポリプロピレンとポリスチレンの分解は微生物に依存しますが、ポリエチレンの分解は微生物に依存しません[10]。

昆虫によって分解される物質は何ですか？

これまでの研究では、ミールワームはポリスチレンプラスチックを与えても正常に成長し、通常の餌（ふすまなど）を与えられた幼虫と似ていることがわかっています。研究者らは幼虫が排泄したデンプンを分析し、長鎖ポリスチレン分子が幼虫の腸内で脱重合することを確認した。

昆虫の分解能力には限界があったり、分解プロセスに特定の条件や時間が必要になる場合があります。 16 日間の試験期間中、摂取したポリスチレン分子の炭素の 47.7% が二酸化炭素に変換され、ポリスチレン残留物の約 49.2% が糞便として排泄され、ポリスチレンの約 0.5% が生物の一部として同化されました。これは、ミールワームがプラスチックを分解・変換する一定の能力を持っていることを示していますが、一部のポリスチレンは完全に分解されず、元の形または部分的に分解された形で体外に排出されます[11]。

プラスチックを食べるミールワームによるポリスチレンの生分解

（画像出典：参考文献11）

他の研究者は、ヨトウガ（Spodoptera frugiperda）の幼虫がポリ塩化ビニルフィルムを食べ、そのプラスチックをエネルギー源や短期間の生存のために利用できることを偶然発見した。この発見は、プラスチックの劣化のメカニズムに対する科学者の関心を呼び起こした。研究者らは、この侵略的な農業害虫の腸からポリ塩化ビニルを分解できる細菌 EMBL-1 を分離した。 EMBL-1 は PVC の表面にバイオフィルムを形成し、カタラーゼペルオキシダーゼを分泌して PVC を低分子量ポリマーに分解します。

次に、細菌はラッカーゼ、モノオキシゲナーゼ、ジオキシゲナーゼなどを使用して、ポリ塩化ビニルの長鎖分解生成物をさらに分解し、より短い生成物に変換します。

さらに研究者らは、輸送タンパク質と分解タンパク質をコードする遺伝子がEMBL-1株のプロテオームとトランスクリプトームで高度に発現していることを発見した。これらの遺伝子は小さな有機分子や脂肪酸の輸送に関与している可能性があり、EMBL-1株は分解されたポリ塩化ビニル生成物を自身の成長のためのエネルギーとして利用できることを示している[12]。

EMBL-1株のポリ塩化ビニル分解経路

（画像出典：参考文献12）

昆虫によって分解されたプラスチックは、今後も環境を汚染し続けるのでしょうか？

劣化したプラスチックが環境を汚染し続けるかどうかを判断するには、プラスチックがどのように劣化するかを理解するだけでなく、プラスチックが完全に劣化しているかどうかを評価する必要があります。他の化学変換製品はありますか?

昆虫や環境微生物によるプラスチックの分解

（画像出典：参考文献7）

完全分解とは、プラスチック分子が完全に変化し、最終的に二酸化炭素と水に分解されることを意味します。プラスチックが完全に分解されたかどうかを評価するには、鉱化が起こったかどうかを判断する必要があります。鉱化とは、有機物が完全に分解されるプロセスです。プラスチックの鉱化の過程で、プラスチック内の炭素は二酸化炭素に変換され、昆虫のバイオマスに組み込まれます。プラスチックの鉱化の程度は、放出される二酸化炭素の量を測定することによって間接的に評価することができます。分解の過程で二酸化炭素が放出された場合、プラスチックの一部がガスに変換されたことを意味します。

さらに、昆虫の炭素含有量と同位体比の変化を検出することで、プラスチック炭素が生物に組み込まれているかどうかを判断するのにも役立ちます。化学変化とはプラスチックの分子構造の変化を指しますが、必ずしも完全な劣化を意味するわけではありません。

前述のように、一部の昆虫はプラスチックを分解できますが、その分解能力には限界があります。完全に分解されなかったプラスチックは昆虫によって排出されるため、これらの分解生成物の環境安全性についてはさらなる分析が必要です。

プラスチックを分解する昆虫の産業的可能性

プラスチックを分解する昆虫に関する研究では、環境に優しい解決策としての可能性が示されていますが、このプロセスを工業化し、大規模なプラスチック汚染制御に適用するには、次のような多くの制限がまだあります。

分解速度が遅い: 昆虫は消化と微生物の作用によってプラスチックを分解しますが、これはゆっくりとしたプロセスであり、世界規模で増加しているプラ​​スチック汚染の速度には対応できません。

厳しい環境条件: 分解効率は温度や湿度などの環境要因の影響を受け、特定の条件を維持する必要があるため、産業用途の複雑さとコストが増加します。

生態学的リスクと運用上の難しさ: 昆虫の種類によってプラスチックの分解に対する影響が異なるため、昆虫の種類とプラスチックの種類を正確に一致させる必要があります。同時に、大規模な使用は生態系のバランスを崩したり、種の侵入を引き起こしたりする可能性があります。

これらの制限に対処するため、科学者や企業は、昆虫がプラスチックを分解するメカニズムからヒントを得て、酵素工学や微生物技術を利用して、プラスチックのリサイクルに効率的な解決策を提供しています。科学者たちは、PET加水分解酵素の設計を最適化することで、プラスチックの分解効率を大幅に向上させました。研究により、酵素の反応速度、基質特異性、阻害効果は構造の違いにより変化することがわかっています。これらの研究は、効率的なPET分解酵素と酵素スクリーニング戦略の開発に重要な参考資料を提供します[13]。

フランスの企業が、16時間以内にPETプラスチックの97％を分解できる酵素ベースのプラスチックリサイクルプロセスを開発した。これは従来の方法よりも1万倍効率的だ。この技術は、さまざまな種類のPETをリサイクルし、食品グレードのリサイクルPETを生成することで、閉ループリサイクルを実現します[14]。

ポータブルで自己完結型のシステムは、高エネルギー密度の廃棄物を食料、水、化学物質に迅速に変換し、遠征活動や安定化ミッションをサポートできます。

（画像出典：参考文献15）

結論

プラスチックには多くの種類があり、ポリマーの構造によって分解の難しさが異なります。たとえば、ポリエチレンは、安定した直鎖状炭素骨格のため、ポリエチレンテレフタレートよりも分解されにくいです。さらに、熱、風化、紫外線などの非生物的ストレスは、昆虫やその腸内細菌によるプラスチックの分解効率に影響を及ぼす可能性があります。容易に分解されるプラスチックに適した分解酵素が開発されれば、プラスチック廃棄物の約半分をリサイクルできる可能性がある。今後は、分解昆虫、機能性細菌、分解酵素などの研究をさらに深め、技術革新を通じてプラスチックリサイクルの環境効果を最大化していきたいと考えています。

参考文献

1.ギブBC（2019）。プラスチックは永遠です。自然化学、11(5)、394-395。

2.Boctor, J., Pandey, G., Xu, W., Murphy, DV, & Hoyle, FC (2024)。自然のプラスチック捕食者：プラスチック食性昆虫の包括的かつ計量書誌学的レビュー。ポリマー、16(12)、1671。

3.Yang、SS、Wu、WM、Bertocchini、F.他。昆虫によるプラスチックの生分解における根本的な革新のブレークスルー：歴史、現在、そして将来の展望。フロント。環境。科学。英語。 18、78（2024）。

4.Peng, BY, Chen, Z., Chen, J., Yu, H., Zhou, X., Criddle, CS, Wu, WM, & Zhang, Y. (2020). Tenebrio molitor（甲虫目：ゴミムシダマシ科）の幼虫におけるポリ塩化ビニル（PVC）の生分解。環境インターナショナル、145、106106。

5. Yang, Y.、Wang, J.、Xia, M. (2020)。プラスチックを食べるスーパーワーム Zophobas atratus によるポリスチレンの生分解とミネラル化。総合環境科学、708、135233。

6. Wang, Y.、Luo, L.、Li, X.、Wang, J.、Wang, H.、Chen, C.、Guo, H.、Han, T.、Zhou, A.、Zhao、総合環境、837、155719。

7.ヤン、

8. Wang, Y.、Luo, L.、Li, X.、Wang, J.、Wang, H.、Chen, C.、Guo, H.、Han, T.、Zhou, A.、および Zhao、総合環境、837、155719。

9. ボンベリ、P.、ハウ、CJ、ベルトッチーニ、F. (2017)。ハチミツガ Galleria mellonella の幼虫によるポリエチレンの生分解。カレントバイオロジー：CB、27(8)、R292–R293。

10.Yang, L.、Gao, J.、Liu, Y.、Zhuang, G.、Peng, X.、Wu, WM、および Zhuang、Chemosphere、262、127818。

11. Yang, Y.、Yang, J.、Wu, WM、Zhao, J.、Song, Y.、Gao, L.、Yang, R.、および Jiang, L. (2015)。プラスチックを食べるミールワームによるポリスチレンの生分解とミネラル化：パート 1。化学的および物理的特性評価と同位体テスト。環境科学技術、49(20)、12080–12086。

12. Zhang、Z.、Peng、H.、Yang、D. 他。昆虫の幼虫の腸から分離された細菌によるポリ塩化ビニルの分解。 Nat Commun 13、5360（2022）。

13. エリクソン、E.、シェイクスピア、TJ、ブラッティ、F.、バス、BL、グラハム、R.、ホーキンス、MA、ケーニッヒ、G.、ミッチェナー、WE、ミスコール、J.、ラミレス、KJ、ローラー、NA、ザーン、M.、ピックフォード、アーカンソー州、マギーハン、JE、およびベッカム、GT (2022)。反応条件、基質特性、および生成物蓄積の関数としての PETase の比較パフォーマンス。 ChemSusChem、15(1)、e202101932。

14. フランス企業が画期的な技術を開発し、初の100%酵素バイオリサイクル可能なPETボトルを発売[EB/OL]。 https://www.china-ipif.com/zh-cn/media/news02/_-100--_pet_.html

15. プラスチックから