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虫子吃塑料:一袋小米带来的科学突破
来源:中国科学报 发布时间:2018-1-10 11:02:37

  近日,北京航空航天大学化学学院教授杨军的一次科普演讲引起了社会各界的关注。原来,这位科学家偶然间将虫子与塑料挂上了钩。

  塑料能被虫子“吃掉”?这是否意味着,困扰人类的“白色污染”找到了终极解决途径?这样的期待,让杨军的演讲迅速成为热议话题。

  偶然的科学发现

  2004年春节,杨军从家中橱柜里拿出一袋小米准备煮粥时,发现装米的塑料袋上有许多孔洞,还有虫子和飞蛾爬出。

  米坏了,不能吃,赶紧处理扔掉,这是许多人看到上述情景时的自然反应。不过,这一幕却给了博士毕业于清华环境工程专业环境生物技术方向的杨军不一样的启发。虫子咬过,塑料去哪了?如果被虫子吃掉了,塑料能否被虫子消化?

  杨军初步推测,塑料可能被虫子吃掉了,但能否被虫子消化吸收并转化成能量或身体组织就不得而知了。

  “如果这个问题能被证实,就意味着塑料能被降解。这将是一项革命性的发现。”春节过后,杨军就带着硕士生秦小燕着手开始研究。

  通过各种渠道,他买到了“米虫”,即蜡虫。随后,通过解剖将其内含物取出,接种于仅仅铺有聚乙烯薄膜的无碳培养基中。

  “碳是维持生命的主要元素,不给蜡虫葡萄糖、淀粉等碳源,只给含有聚乙烯的薄膜,蜡虫要么依靠薄膜进行繁殖代谢,要么因没有能量来源而死掉。”杨军说。

  实验进行到第28天,杨军和秦小燕通过电镜观察发现,蜡虫肠道的内含物侵蚀并穿透了塑料薄膜。这意味着蜡虫的肠道微生物降解了塑料。

  虫子活下来了

  实验蜡虫肠道的内含物会分泌出很多菌株,但之前的研究并未将其细化。

  为学习基础研究方法,杨军前往英国牛津大学做了一年访问学者。回国后,他开始展开系统深入的研究,提取内含物中的“纯菌”进行实验。

  杨军将蜡虫肠道内含物与含有聚乙烯的薄膜放在一起进行富集培养。他以聚乙烯为唯一碳源,60天富集培育分离出8种纯菌株,并最终通过抗拉强度试验选择了两种降解能力最强的菌种:阿氏肠杆菌和芽孢杆菌。

  实验证明,这两种菌株的确靠塑料薄膜“活了下来”。它们在含聚乙烯的薄膜上稳定增长,并具有较强的活性,可以腐蚀掉聚乙烯膜的表面。“把聚乙烯这种长链的C-C单键氧化断裂成为一个亲水的碳氧双键的羰基,这就是降解的初步机制。”杨军解释道。

  他推测,如果将黄粉虫的培养时间延长至60天,阿氏肠杆菌和芽孢杆菌可以分别使聚乙烯减重6%和11%,聚乙烯的分子量可以降低6%和13%.“这表明黄粉虫的降解效率是很高的。”

  随后,杨军又做了黄粉虫降解聚苯乙烯实验。他培养了1500条黄粉虫,将其平均分成三组,进行为期30天的实验。一组仅喂食聚苯乙烯的泡沫塑料;另两组作为对照组,食物分别是它们最喜欢的麦麸和无食物。结果发现,分别单独喂食泡沫塑料和麦麸的两组存活率没有显著差异。

  为测量聚苯乙烯的降解程度,杨军收集了吃过麦麸和泡沫塑料的虫粪,并用GPC(凝胶渗透色谱)证明聚苯乙烯的分子量降低了,热量也降低了。

  “50%的聚苯乙烯被黄粉虫转化为二氧化碳和自身肌体,可以说是‘长肌肉’了。作为生物化学机制的‘金标准’,碳13-同位素标记示踪的实验也更加证实了这个结果。”杨军兴奋地说,实验充分证明了黄粉虫能降解聚苯乙烯。

  塑料生物降解的新窗口

  杨军表示,塑料本身是一种高分子的惰性材料,难以被生物降解。

  “塑料在自然界中降解需要约500年。而我们找到了一种高效降解微生物来源的新途径,就是从虫子的肠道里找到可高效降解塑料的细菌、酶,只需24小时甚至更少的时间就能降解塑料,这为解决石油基塑料污染问题打开了一扇窗。”杨军说。

  中国工程院院士、清华大学环境学院教授钱易对此评价说,杨军团队从虫子吃塑料的自然生活现象出发,证实了昆虫及其肠道微生物可以高效降解聚乙烯和聚苯乙烯。“这个发现是革命性的,揭示了细菌能够利用过去被认为不可能生物降解的石油基塑料。这是近年来环境科学领域最大突破之一,为解决全球塑料污染问题打开了一扇新的大门。”

  杨军告诉记者,实验研究中所用的塑料均为最难降解的石油基塑料。不过,想要真正造福人类,还需要通过产业化,使微生物和酶得到高效利用。目前他正在寻求与企业合作,试图开发一种降解可控的新型材料。

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