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吃塑料的蟲子為解決塑料廢物污染提供新思路

作者:龍江綠網    發布于:2015-11-17 11:36:27    文字:【】【】【
摘要:目前中國科學家發現吃塑料的蟲子,“塑料在黃粉蟲腸道快速生物降解,揭示了丟棄在環境中塑料廢物的新命運。”北京航空航天大學楊軍教授說。

目前中國科學家發現吃塑料的蟲子,“塑料在黃粉蟲腸道快速生物降解,揭示了丟棄在環境中塑料廢物的新命運。”北京航空航天大學楊軍教授說。塑料在環境中難以自然降解,而聚苯乙烯又是其中之最,由于高分子量和高穩定性,普遍認為微生物無法降解聚苯乙烯類塑料。2015年北京航空航天大學楊軍教授研究組、深圳華大基因公司趙姣博士等在環境學科領域的權威期刊《Environmental Science & Technology》上合作發表了兩篇姊妹研究論文,證明了黃粉蟲(面包蟲)的幼蟲可降解聚苯乙烯這類最難降解的塑料。
該突破性研究顯示,以聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食源,黃粉蟲幼蟲可存活1個月以上,最后發育成成蟲,其所嚙食的聚苯乙烯被完全降解礦化為CO2或同化為蟲體脂肪。這種發現為解決全球性的塑料污染問題提供了思路。

盡管如此,面對日益嚴重的白色塑料污染,楊軍教授還是呼吁,公眾在日常生活中應少使用一次性的塑料飯盒、方便袋。

  困境

解塑料成世界難題

石油化工生產的塑料廢物污染是世界環境難題。大部分塑料一次性消費使用后即被丟棄。迄今為止學術界認為,塑料產品由于物理化學結構穩定、在自然環境中可能數十至數百年不會被分解。

楊軍教授介紹,2013年全球消費2.99億噸塑料,其中聚苯乙烯類塑料占7%,每年消耗約2100萬噸,常見的塑料飯盒、咖啡杯等可承受開水溫度的材料即為聚苯乙烯。權威的調查已經表明,聚苯乙烯這種塑料在土壤、污泥、腐爛垃圾,或糞肥微生物群落里,4個月僅降解0.01%-3%的范圍。

每年全世界有4000萬噸的廢棄塑料在環境中積累, 中國每年約有200萬噸廢棄塑料丟在環境里。以農田用農膜為例,我國農膜年產量達百萬噸, 且以每年10%的速度遞增, 無論覆蓋何種作物, 所有覆膜土壤都有殘膜。據統計, 我國農膜年殘留量高達35萬噸, 殘膜率達42%,大量殘膜遺留在農田0-30厘米的耕作層。也就是說, 有近一半的農膜殘留在土壤中, 食品安全方面是一個極大隱患。

“塑料在土壤中完全被微生物同化, 降解成CO2和水實現無機礦化, 可能需要200-400年時間, 從而造成在環境中的積累。”楊軍教授告訴羊城晚報記者。

奇思

腦洞大開請蟲子幫忙

2005年起,楊軍團隊開始研究塑料生物降解。主攻最難降解的聚苯乙烯等塑料降解。

科學家此前使用幾種土壤無脊椎動物實驗,如蚯蚓、千足蟲、蛞蝓、蝸牛等看看其能否吃掉塑料。在飼喂14C標記的塑料如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP),結果顯示無法降解。

楊軍認為,生物降解塑料的思路要開拓,不能只局限于微生物, 可以考慮鱗翅目昆蟲、白蟻等, 海洋中的蛀船蟲和鉆孔蚌能侵蝕聚乙烯和海底電纜,也可考慮從這些生物中分離并克隆能產生活性基團的關鍵酶及其基因。

楊軍團隊的2014年研究發現,蠟蟲(印度谷螟幼蟲)能夠咀嚼和進食聚乙烯PE薄膜,幼蟲腸道分離出能夠降解PE薄膜的兩種菌株,即腸桿菌屬YT1和芽孢桿菌YP1。隨后研究團隊發現,黃粉蟲幼蟲是一種吃掉塑料更為厲害的動物,其尺寸比蠟蟲更大(通常長35毫米,寬度3毫米),其可以將泡沫塑料作為唯一食品。黃粉蟲有4個生活階段:卵、幼蟲、蛹和成蟲。

黃粉蟲又叫面包蟲,在昆蟲分類學上隸屬于鞘翅目,擬步行蟲科,粉甲蟲屬(擬步行蟲屬)。原產北美洲,50年代從前蘇聯引進中國飼養,黃粉蟲被譽為“蛋白質飼料庫”。其干品含脂肪30%,含蛋白質高達50%以上,此外還含有磷、鉀、鐵等多種元素。干燥的黃粉蟲幼蟲含蛋白質40%左右、蛹含57%、成蟲含60%。

在中國國內,黃粉蟲實際上類似蠶,人類可以直接食用,炒著吃,也可以用來做飼料,黃粉蟲作飼料喂養的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、熱帶魚和金魚,不僅生長快、成活率高,而且抗病力強,繁殖力也大大提高。養殖黃粉蟲十分容易,養殖戶可用新鮮燕麥、小麥糠、蘋果養殖。

驚喜

  蟲子真的吃掉了塑料!

楊軍教授的團隊從中石化燕山分公司購買了聚苯乙烯塑料原料,這些原料中沒有添加劑和催化劑。而α-13C、β-13C標記的聚苯乙烯塑料樣品則從美國購買。黃粉蟲從北京大興、河北秦皇島等昆蟲養殖場購買,用谷物飼養,這些蟲子位于3-4蟲齡(即褪了3-4次皮)。

這些黃粉蟲被放置在一個有泡沫塑料塊的聚丙烯塑料容器里。實驗人員定期測量被黃粉蟲吃掉的泡沫塑料塊重量,對照組是常規麥麩飼養的黃粉蟲,實驗中500個黃粉蟲以5.8克的泡沫為唯一食物,在控制條件的溫室中單獨飼養(25±1°C,80±2%濕度,和16:8光/暗周期)。在孵化過程中,死亡的黃粉蟲立即去除。

楊軍等人在實驗中,以泡沫塑料為單一食源喂養黃粉蟲幼蟲。對比正常飼養(喂食麩皮) 和停食的幼蟲,結果發現,在16天實驗期內,幼蟲干重盡管并未如正常飼養的幼蟲顯著增加 (+33.6%),僅小量增加了0.2%(這是由于相比麩皮,泡沫塑料的水含量和營養價值較低),但也未像停食的幼蟲干重明顯降低 (-24.9%),并且對比喂食塑料和麩皮兩組的幼蟲存活率,并無明顯差異。

100只黃粉蟲每天可以吃掉34-39毫克的泡沫塑料。在16天的試驗期,蟲子攝入泡沫塑料中47.7%轉化為CO2。而殘留(約49.2%)被轉化為類似兔糞便的生物降解顆粒被排泄出體外。試驗用α-13C或β-13C標記的聚苯乙烯塑料證實其被礦化為碳13標記二氧化碳和脂類。幼蟲腸道內聚苯乙烯泡沫停留時間不超過24小時就降解。

用聚苯乙烯泡沫塑料作為唯一食物的幼蟲,與那些喂以正常食物(麥麩)的蟲子過了1個月后,健康情況一樣,最后發育成甲殼成蟲。黃粉蟲在泡沫上吃出了一個一個洞。通過蟲子的腸道后,攝入的泡沫塑料的化學結構和組成發生變化。通過采用凝膠滲透色譜(GPC)、碳13的核磁共振光譜,熱重傅里葉變換紅外光譜,證實了幼蟲腸道中聚苯乙烯長鏈分子斷裂形成蟲子代謝產物隨著糞便排出。

實驗還進一步在幼蟲腸道中成功分離出可以利用聚苯乙烯為唯一碳源進行生長的聚苯乙烯降解細菌——微小桿菌YT2(Exiguobacterium sp. YT2)。該菌株已保存在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心和國家基因庫,是國際上報道的第一株保存在菌種中心的聚苯乙烯降解細菌。

潛力

黃粉蟲能吃所有塑料

研究團隊給出了黃粉幼蟲嚙食降解聚苯乙烯機理:第一步,泡沫塑料首先被黃粉幼蟲嚼噬成細小碎片并攝入腸道中;第二步,嚼噬作用增加了聚苯乙烯泡沫與微生物和胞外酶的接觸面積,所攝食的碎片在腸道微生物所分泌的胞外酶作用下,進一步解聚成小分子產物;第三步,這些小分子產物在多種酶菌和黃粉幼蟲自身酶的作用下,進一步降解并同化形成幼蟲自身組織;第四步殘留的泡沫碎片與部分降解中間產物,混合部分腸道微生物,以蟲糞的形態排泄出體內,在蟲糞中泡沫塑料可能還會進一步繼續降解。

“黃粉蟲可以消化最難降解的聚苯乙烯塑料,其他相對容易降解的塑料,理論上黃粉蟲同樣可以消化。”楊軍教授告訴羊城晚報記者,他介紹,目前國內已有廠商在考慮用人工培育黃粉蟲或蠟蟲來降解塑料廢棄物。

不過他仍呼吁,應對日益嚴重的白色污染,少用或者禁用一次性的塑料產品,多使用可以重復利用的產品,才是對未來和子孫后代負責的態度。

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