一袋小米带来的科学突破

最近，北京航空航天大学化学学院杨军教授的科普演讲引起了社会各界的关注。原来，这位科学家不小心用塑料钩住了蠕虫。塑料会被虫子“吃掉”吗？这是否意味着困扰人类的“白色污染”找到了最终解决方案？这一期望使得杨军的演讲成为热门话题。意外的科学发现2004年春节，当杨军从柜子里拿出一袋小米来煮粥时，他发现装大米的塑料袋上有许多洞，虫子和飞蛾爬了出来。米饭碎了，不能吃了，所以赶快把它扔掉。这是许多人看到上述情况时的自然反应。然而，这一幕给了杨军不同的灵感，他毕业于清华大学，获得环境工程博士学位，主修环境生物技术。虫子咬了。塑料在哪里？如果被虫子吃了，塑料能被虫子消化吗？杨军最初推测塑料可能被昆虫吃了，但不清楚它是否能被昆虫消化吸收并转化为能量或身体组织。“如果这个问题能够被证实，那就意味着塑料可以被降解。这将是一个革命性的发现。”春节过后，杨军带着硕士研究生秦晓艳开始了这项研究。通过各种渠道，他购买了“米虫”，或蜡虫。随后，通过解剖除去其内容物，并接种在仅覆盖有聚乙烯膜的无碳培养基中。“碳是维持生命的主要元素。蜡虫只得到聚乙烯薄膜，而不是葡萄糖和淀粉等碳源。蜡虫要么依靠薄膜进行繁殖和新陈代谢，要么因为没有能源而死亡。”杨军告诉《中国科学》的记者。在实验的第28天，杨军和秦小燕通过电子显微镜发现蜡虫肠道内的内容物侵蚀并渗透到塑料薄膜中。这意味着蜡虫的肠道微生物降解塑料。蠕虫幸存了下来。实验性蜡虫的肠道内容物会分泌许多菌株，但之前的研究并没有对它们进行提炼。为了研究基本的研究方法，杨军去牛津大学做了一年的访问学者。回国后，他开始进行系统深入的研究，从实验内容中提取“纯细菌”。杨军把蜡虫的肠内容物和聚乙烯薄膜放在一起进行富集培养。他以聚乙烯为唯一碳源，对8株纯菌株进行了60天的富集培养，最终通过拉伸强度试验筛选出降解能力最强的两株菌株:肠杆菌和芽孢杆菌。实验证明，这两种菌株确实在塑料薄膜上“存活”。它们在含聚乙烯的薄膜上稳定生长，具有很强的活性，能腐蚀聚乙烯薄膜的表面。聚乙烯，一个长链碳碳单键，氧化裂解成一个带有碳氧双键的亲水羰基，是降解的主要机理杨军解释道。他推测，如果黄粉虫培养时间延长到60天，肠杆菌和芽孢杆菌可分别使聚乙烯重量减少6%和11%，聚乙烯分子量减少6%和13%。"这说明黄粉虫的降解效率很高."后来，杨军用黄粉虫做了另一个降解聚苯乙烯的实验。他培育了1500只黄色的黄粉虫，并将它们平均分成三组，进行为期30天的实验。一组只加入聚苯乙烯的泡沫塑料；另外两组作为对照组。食物是他们最喜欢的麦麸，没有食物。结果表明，分别饲喂泡沫塑料和麦麸的两组成活率无显著差异。为了测定聚苯乙烯的降解程度，杨军收集了虫蛀的麦麸和泡沫塑料，凝胶渗透色谱(GPC)证明聚苯乙烯的分子量降低，热量也降低。“50%的聚苯乙烯被黄粉虫转化成二氧化碳和自己的身体，可以说是‘长肌肉’。作为生化机制的“金标准”，碳13同位素标记和示踪实验也进一步证实了这一结果。”杨军兴奋地说，实验充分证明黄粉虫可以降解聚苯乙烯。塑料生物降解的新窗口杨军说，塑料本身是一种高分子惰性材料，难以生物降解。“塑料在自然界降解大约需要500年。然而，我们发现了一种有效降解微生物来源的新方法，即在蠕虫的肠道中可以找到能有效降解塑料的细菌和酶，降解塑料只需24小时或更少，这为解决石油基塑料的污染问题打开了一扇窗。”杨军说。中国工程院院士、清华大学环境研究所教授钱乙评论说，杨军团队证实，昆虫及其肠道微生物可以有效降解聚乙烯和聚苯乙烯，这是基于昆虫吃塑料的自然现象。“这一发现是革命性的，揭示了细菌可以使用以前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的突破之一，为解决全球塑料污染问题打开了新的大门。”杨军告诉记者，实验研究中使用的塑料都是最难降解的石油基塑料。然而，为了真正造福人类，有必要通过工业化有效地利用微生物和酶。目前，他正在寻求与企业合作，试图开发一种可控制降解的新材料。