金属离子对黑翅土白蚁消化代谢的影响.pdf
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1、金属离子对黑翅土白蚁消化代谢的影响漆梦雯,沈毅,羊桂英,余婷,李吴晗,周琪欢,谢晓俊,朱娅宁,莫建初(浙江大学昆虫科学研究所农业部作物病虫害分子生物学重点实验室,浙江杭州310058)摘要:【目的目的】探究金属离子对黑翅土白蚁 Odontotermes formosanus 消化代谢过程的影响,挖掘黑翅土白蚁对含有金属离子的厨余垃圾和农林废弃物进行资源化处理的潜在价值。【方法方法】根据浓度梯度法,将含有不同质量分数 Al3+、Ca2+、Fe3+和 Mg2+的饵料供给黑翅土白蚁,确定黑翅土白蚁对饵料中金属离子的最大可取食质量分数。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定黑翅土白蚁虫体
2、内及其新建菌圃内的对应金属元素质量分数,明确饵料中 Al3+、Ca2+、Fe3+和 Mg2+对虫体内及新建菌圃内对应金属元素质量分数的影响。采用试剂盒法测定黑翅土白蚁虫体内及其新建菌圃内漆酶和纤维素酶的活性,确定饵料中 Al3+、Ca2+、Fe3+和 Mg2+对上述酶活性的影响。【结果结果】黑翅土白蚁对饵料中 Al3+、Ca2+和 Fe3+的最大可取食质量分数均为 1.00gkg1,对饵料中 Mg2+的最大可取食质量分数为 10.00gkg1。黑翅土白蚁取食含有 10.00gkg1Mg2+的饵料后,其虫体内和菌圃内都发生了 Mg 的富集;取食含有 1.00gkg1Fe3+的饵料后,Fe 仅在菌
3、圃内富集。取食含有 1.00gkg1Al3+的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性(P0.05);取食含有 1.00gkg1Ca2+的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性(P0.05),但会显著降低纤维素酶活性(P0.05);取食含有 1.00gkg1Fe3+的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的漆酶活性和菌圃中的纤维素酶活性(P0.05),但会显著降低菌圃中的漆酶活性和黑翅土白蚁虫体内的纤维素酶活性(P0.05);取食含有 10.00gkg1Mg2+的饵料,会显著提高黑翅土白蚁虫体内的纤维素酶活性和菌圃中的漆酶活性(P0.05),但会显著降低菌圃中的纤维素酶活性(P0.05)。【结
4、论结论】黑翅土白蚁可取食分别含有 1.00gkg1Al3+、Ca2+和 Fe3+的饵料和含有 10.00gkg1Mg2+的饵料,1.00gkg1Al3+可以提高黑翅土白蚁和菌圃微生物对木质素的联合降解能力。黑翅土白蚁具有资源化处理厨余垃圾和农林废弃物的应用潜力。图 3 表 1 参 30关键词:黑翅土白蚁;菌圃;金属离子;酶活性中图分类号:S186文献标志码:A文章编号:2095-0756(2024)01-0154-07EffectsofmetalionsondigestionandmetabolismofOdontotermes formosanusQIMengwen,SHENYi,YANGG
5、uiying,YUTing,LIWuhan,ZHOUQihuan,XIEXiaojun,ZHUYaning,MOJianchu(MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofMolecularBiologyofCropPathogensandInsectPests,InstituteofInsectSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,Zhejiang,China)Abstract:ObjectiveThisstudyaimstoexploretheroleofmetalionsininfluencingthediges
6、tivegenerationprocessofOdontotermes formosanus,whichisbeneficialtoexplorethepotentialvalueofresourcetreatmentofagricultural and forestry waste and kitchen waste containing metal ions by O.formosanus.MethodAccordingtotheconcentrationgradientmethod,thebaitcontainingdifferentmassfractionofAl3+,Ca2+,Fe3
7、+andMg2+wasfedtoO.formosanustodeterminethemaximumediblemassfractionofmetalionsinbaitforO.收稿日期:2023-04-03;修回日期:2023-06-08基金项目:国家自然科学基金资助项目(31770686)作者简介:漆梦雯(ORCID:0009-0001-7459-613X),从事白蚁资源利用等研究。E-mail:。通信作者:莫建初(ORCID:0000-0001-5066-0734),教授,博士生导师,从事白蚁防治等研究。E-mail:浙江农林大学学报,2024,41(1):154160Journal o
8、f Zhejiang A&F Universitydoi:10.11833/j.issn.2095-0756.20230219formosanus.ICP-OESwasusedtomeasurethecorrespondingmetalelementsinO.formosanusbodyandnew-builtfunguscombs,andtoobtaintheeffectsoffeedingbaitscontainingAl3+,Ca2+,Fe3+andMg2+onthecorrespondingmetalelementsmassfractioninO.formosanusbodyandne
9、w-builtfunguscombs.TheactivitiesoflaccaseandcellulaseinO.formosanusbodyandnew-builtfunguscombsweredeterminedbykitmethod,andtheeffectsoffeedingbaitscontainingAl3+,Ca2+,Fe3+andMg2+ontheactivitiesoftheseenzymesweredetermined.ResultThemaximumediblemassfractionofAl3+,Ca2+andFe3+inbaitsofO.formosanuswas1.
10、00gkg1,andMg2+inbaitswas10.00gkg1.MgenrichmentoccurredbothinO.formosanusbodyandnew-builtfunguscombsafterfeedingbaitscontaining10.00gkg1Mg2+;Fewasonlyenrichedinnew-builtfunguscombsafterfeedingbaitscontaining1.00gkg1Fe3+.ThelaccaseactivityinO.formosanusbodyimprovedsignificantly after feeding baits con
11、taining 1.00 gkg1 Al3+.The laccase activity in O.formosanus bodyimprovedsignificantly,butthecellulaseactivityreducedsignificantlyafterfeedingbaitscontaining1.00gkg1Ca2+.ThelaccaseactivityinO.formosanusbodyandcellulaseactivityinnew-builtfunguscombsimprovedsignificantly,butthelaccaseactivityinnew-buil
12、tfunguscombsandcellulaseactivityinO.formosanusbodyreducedsignificantlyafterfeedingbaitscontaining1.00gkg1Fe3+.ThecellulaseactivityinO.formosanusbodyandthelaccaseactivityinnew-builtfunguscombsimprovedsignificantly,butthecellulaseactivityinnew-builtfunguscombsreducedsignificantlyafterfeedingfoodsconta
13、ining10.00gkg1Mg2+.ConclusionO.formosanuscanfeedonbaitscontaining1.00gkg1Al3+,Ca2+orFe3+or10.00gkg1Mg2+,and1.00gkg1Al3+canimprovethecombineddegradationofligninbyO.formosanusandfungus-combmicrobiome.O.formosanushaveapplicationpotentialforresourcetreatmentofagriculturalandforestrywasteandkitchenwaste.
14、Ch,3fig.1tab.30ref.Key words:Odontotermes formosanus;funguscombs;metalion;enzymeactivity中国每天产生约 5 万 t 厨余垃圾,占城市生活垃圾的 40%60%1。现有的厨余垃圾处理模式中,饲料化的环境效应最好且成本效益高2。利用资源昆虫进行垃圾处理是目前厨余垃圾资源化利用的研究热点,拟黑多刺蚁 Polyrhachis vicina 幼蚁、黑水虻 Hermetia illucens、黄粉虫 Tenebrio molitor 等昆虫均可以作为资源昆虫处理垃圾35。黑水虻可有效分解厨余垃圾并将其转化为油脂和蛋白质等
15、高价值生物质6,黄粉虫幼虫对厨余垃圾的利用率可达 38.88%7。厨余垃圾含有一定量的金属元素,一般较难对其进行有效处理810。有研究表明:白蚁与微生物的共同作用,可使木质纤维素材料得到高效的利用11,据统计,白蚁 1a 可以消耗 3070 亿 t 木质纤维素12。白蚁还可以通过取食腐烂的有机物和木材,富集重金属13。在培菌白蚁肠道和菌圃中存在不同质量分数的金属离子,这些金属离子可能对肠道共生微生物和木质纤维素降解酶的活力有一定影响1416。白蚁肠道系统中许多种酶需要与某些金属离子相结合,来实现其催化活性,这些酶的催化活性在许多生物过程中起到至关重要的作用,例如产氢过程、呼吸过程和碳水化合物水
16、解过程等1718。黑翅土白蚁 Odontotermes formosanus 对林木、绿化、堤坝等具有严重危害性,但同时也是一种重要的资源昆虫,在自然环境下,它可以高效降解木质纤维素19。黑翅土白蚁是否具有处理厨余垃圾的潜力目前尚不明确。本研究拟探究食物中含有的 Al3+、Ca2+、Fe3+和 Mg2+对黑翅土白蚁消化代谢的影响,为生产上仿生利用黑翅土白蚁来处理农林废弃物和厨余垃圾提供了新的思路。1材料与方法1.1材料供试黑翅土白蚁蚁巢采自福建省三明市大田县,带回室内在 26 避光条件下饥饿 3d 后供处理。供试饵料为桂花 Osmanthus fragrans 枯枝木屑,采自浙江大学紫金港校区
17、校友林,在 80 烘箱内烘48h,研磨过 20 目筛;在 100 烘箱内烘 24h 后备用。无水三氯化铝、无水氯化钙、无水三氯化铁和第 41 卷第 1 期漆梦雯等:金属离子对黑翅土白蚁消化代谢的影响155无水硫酸镁均为分析纯,购自沪试国药集团化学试剂有限公司。漆酶(laccase)和纤维素酶(cellulase)试剂盒购自苏州梦犀生物医药科技有限公司。1.2方法1.2.1金属离子最大可取食质量分数的测定将无水三氯化铝用去离子水稀释至 100.00、10.00、1.00、0.10、0.01gL15 个质量浓度,以去离子水为对照(ck)。每个处理取 10.00mL,分别与 10g 木屑混合均匀,静
18、置 24h 后置于 80 烘箱中烘干 48h,得到含有 Al3+质量分数分别为 100.00、10.00、1.00、0.10、0.01gkg1的 5 组 Al3+饵料处理组和 ck 饵料。将饵料分别装入 1.50mL 离心管中并压实,用电子天平称量获得饵料质量。取3 个直径一致的蚁巢,在每个蚁巢中同时放入6 组饵料。15d 后取出离心管,80烘干至恒量,去除泥土后称量剩余饵料质量,计算取食率,取平均值。与对照组无显著差异的 Al3+最大质量分数为黑翅土白蚁对该金属离子的最大可取食质量分数。其他 3 种金属离子的最大可取食质量分数测定同上。分别以含最大可取食质量分数的 Al3+、Ca2+、Fe3
19、+、Mg2+饵料饲喂黑翅土白蚁,共 4 个处理组,以去离子水处理的饵料为对照(ck),设 3 次重复,持续饲喂 30d。1.2.2虫体金属元素测定参考 LI 等16的方法。在蚁巢中随机挑选 10 只体长为 0.450.05mm的低龄工蚁置于 PTFE 烧杯中,加入 5.00mL 浓硝酸后,用封口膜密封,依次于 80 加热盘上加热 1.0h,160加热 1.5h,蒸发约 0.50mL。用孔径为 0.22m 的水系滤膜过滤,取 0.75mL 滤液用去离子水定容至25.00mL,得到体积分数约 3%的浓硝酸稀释液。每个处理重复 3 次,使用电感耦合等离子发射光谱仪测定金属元素。1.2.3菌圃金属元素
20、测定参考 TOYAMA-KATO 等20的方法。称取 0.1g 上层菌圃于 PTFE 烧杯中,加入 1.00mL 浓硝酸后,用封口膜进行密封。置于 60 加热盘上加热 4.0h 后向烧杯内加入 1.00mL 浓硝酸,再依次在加热盘 75 加热 0.5h,130 加热 0.5h,最后 200 加热 0.5h。冷却后向烧杯内加入10.00mL 浓硝酸复溶,用孔径为 0.22m 的水系滤膜进行过滤,后续处理同 1.2.2。1.2.4漆酶与纤维素酶活力测定采用分光光度法对黑翅土白蚁工蚁及新建菌圃中的漆酶和纤维素酶活力进行测定,参照试剂盒说明书进行操作。1.3数据分析数据均为平均值标准差,使用 SPSS
21、26 进行单因素方差分析,采用 LSD 法进行多重比较。2结果与分析2.14 种金属离子处理饵料最大可取食质量分数黑翅土白蚁对含 Al3+、Ca2+和 Fe3+饵料的最大可取食质量分数均为 1.00gkg1,对含 Mg2+饵料的最大可取食质量分数为 10.00gkg1(图 1)。对 Al3+、Ca2+、Fe3+和 Mg2+4 种金属离子而言,黑翅土白蚁总体上偏好取食质量分数较低的饵料。同时,在供试的 4 种金属离子中,黑翅土白蚁对 Mg2+的接受程度最高。2.2黑翅土白蚁虫体内相关金属元素质量分数取食含有 1.00gkg1Al3+、Ca2+或 Fe3+的饵料后,黑翅土白蚁虫体对应的金属元素 A
22、l、Ca 和Fe 质量分数与 ck 之间无显著差异(图 2AC)。取食含有 1.00gkg1Ca2+的饵料后,黑翅土白蚁虫体内Al 质量分数最低,与 ck 差异显著(P0.05)。由图 2D 可见:取食含有 10.00gkg1Mg2+饵料后,黑翅土白蚁虫体内 Mg质量分数最高,为 6.18mgg1,与 ck 和取食其他 3 种金属元素的均差异显著(P0.05)。说明只有取食含有 10.00gkg1Mg2+的饵料,Mg 会在黑翅土白蚁体内富集,而其他 3 种金属元素不会在黑翅土白蚁体内富集。含 Al3+含 Ca2+含 Fe3+含 Mg2+饵料020406080100取食率/%100.00 g k
23、g10.10 g kg110.00 g kg11.00 g kg10.01 g kg1ckaaaabcaaaabcaabbabcdaaaaab不同小写字母表示同一金属离子饵料质量分数处理之间的取食率差异显著(P0.05)。图1黑翅土白蚁对不同质量分数金属离子处理饵料的取食率Figure1BaitconsumptionrateofO.formosanustreatedwithdifferentmassfractionofmetalions156浙江农林大学学报2024 年 2 月 20 日2.3新建菌圃内相关金属元素质量分数取食含有 1.00gkg1Al3+或 Ca2+的饵料后,其菌圃内对应的金
24、属元素 Al 和 Ca 质量分数与 ck 之间无显著差异(图 3AB)。取食含有 1.00gkg1Fe3+或含有 10.00gkg1Mg2+的饵料后,菌圃内对应的 Fe 质量分数为1.29mgg1,Mg 为2.52mgg1,均显著高于ck(P0.05)(图3CD)。其中取食含有10.00gkg1Mg2+饵料后菌圃内的 Al 质量分数较 ck 显著提高(P0.05),取食含有 1.00gkg1Al3+、Ca2+、Fe3+的饵料后,菌圃中 Mg 质量分数较 ck 显著降低(P0.05)。说明取食含金属离子的饵料对黑翅土白蚁新建菌圃内相应金属元素质量分数有一定影响。就本研究而言,黑翅土白蚁取食含有
25、1.00gkg1Fe3+或含有10.00gkg1Mg2+饵料后,对应的金属元素 Fe 和 Mg 会在菌圃中富集。Al 质量分数/(mg g1)Fe 质量分数/(mg g1)Mg 质量分数/(mg g1)Ca 质量分数/(mg g1)ckAlCaFeMg00.20.40.60.81.0 ABCDabcabbcckAlCaFeMg02468101214aaaaackAlCaFeMg00.20.40.60.81.01.21.41.6abbbbckAlCaFeMg00.51.01.52.02.53.0abcccAl.含有 1.00 gkg1 Al3+的饵料;Ca.含有 1.00 gkg1 Ca2+的饵
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