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        蟲啃塑料,緩解地球不能承受之重

        2018-04-21 08:07:31策劃本刊編輯部執(zhí)行關(guān)心于
        莫愁 2018年11期
        關(guān)鍵詞:楊軍黃粉蟲聚苯乙烯

        策劃/本刊編輯部 執(zhí)行/關(guān)心于

        人類有史以來第一次規(guī)模宏大的群眾性環(huán)境保護(hù)運(yùn)動(dòng),是1970年4月22日的“地球日”活動(dòng)。作為人類現(xiàn)代環(huán)保運(yùn)動(dòng)的開端,旨在喚起人類愛護(hù)地球、保護(hù)家園的意識(shí),進(jìn)而改善地球的整體環(huán)境。2009年,聯(lián)合國(guó)大會(huì)決議將每年的4月22日定為“世界地球日”。

        1907年,美國(guó)化學(xué)家列奧·亨德里克·貝克蘭注冊(cè)了酚醛合成樹脂(即塑料)的專利,發(fā)明了塑料。作為一種合成的高分子化學(xué)制品,塑料阻燃、耐熱、抗腐蝕、用途廣、質(zhì)量輕且成本低廉,誕生后,悄然深入到社會(huì)的每個(gè)角落,從工業(yè)生產(chǎn)到人們的衣食住行,無處不在,為人類提供了新的生活便利。然而,由于塑料極難被生物降解,按照目前的科學(xué)估計(jì),塑料在自然界降解大約需要500年,大量廢棄的塑料已造成巨大的環(huán)境污染。

        廢棄塑料導(dǎo)致的白色污染和海洋塑料浮渣,是近50年來長(zhǎng)期困擾科學(xué)界和工程界的世界環(huán)境難題。單就海洋塑料污染而言,據(jù)全球最權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志報(bào)道,每年有800萬噸塑料被沖進(jìn)大海,形成了相當(dāng)于法國(guó)或者200個(gè)上海那么大面積的太平洋塑料垃圾漂移帶。而在中國(guó),食鹽里面已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了塑料微粒。

        塑料污染問題成了全球科學(xué)家的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。上世紀(jì)70年代,研究人員就開始從土壤、污泥、堆肥、海洋和垃圾填埋場(chǎng)等環(huán)境中,尋找可能降解塑料的微生物。但直到目前,科學(xué)界仍普遍認(rèn)為,微生物無法降解聚苯乙烯類塑料。

        這一難題被中國(guó)科學(xué)家撕開了一條縫,北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授楊軍的一次科普演講吸引了全世界的目光。原來,楊軍教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的塑料高效降解微生物來源。自然界中需要500年才能完成的塑料降解過程,瞬間變成只需24小時(shí)甚至更少的時(shí)間就能完成,為解決全球性塑料污染問題提供了新思路。

        2004年時(shí),楊軍忙碌的工作與塑料全然無關(guān)。那時(shí),國(guó)家正在力爭(zhēng)上馬大飛機(jī)C919,作為北航科技處副處長(zhǎng),彼時(shí)的楊軍,工作重心是擔(dān)任C919認(rèn)證秘書組組長(zhǎng),參與組織整個(gè)論證過程。

        緊張的論證環(huán)節(jié)卻相當(dāng)于一個(gè)“空窗期”,給了楊軍捕捉各種生活現(xiàn)象的機(jī)會(huì)與可能。就在那年春節(jié)的一天,楊軍想在家里煮稀飯,可當(dāng)他從櫥柜里拿出一袋小米時(shí),發(fā)現(xiàn)米壞了。裝米的塑料袋被咬了很多洞,里面有蛾子飛出來,還有很多蟲子在米里爬。

        楊軍有些掃興,可看著那些亂飛的蛾子和蠕動(dòng)的蟲子,他一下又來了興趣:“既然蟲子咬破了塑料袋,那么它吃進(jìn)去了嗎?如果吃進(jìn)去了,它消化了嗎?”清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系博士畢業(yè)的楊軍,主攻環(huán)境生物技術(shù),“專業(yè)的敏感與空窗期的無聊,讓我馬上有了這么一個(gè)想法。”

        “我仔細(xì)地翻了翻櫥柜,塑料碎片很少,有可能是被蟲子吃掉降解了,我覺得很興奮?!蓖ㄟ^仔細(xì)觀察后,楊軍做出了初步推測(cè)。但塑料能否被蟲子消化吸收,并轉(zhuǎn)化成能量或身體組織就不得而知了。

        這給了楊軍一個(gè)專業(yè)性的啟發(fā):如果這個(gè)問題能被證實(shí),就意味著塑料能被降解,這將是一項(xiàng)革命性的發(fā)現(xiàn)。于是,春節(jié)過后,楊軍帶著他的碩士研究生秦小燕開始著手研究。

        小米袋中的“米蟲”是蠟蟲(印度螟蟲)。通過各種渠道,楊軍買到蠟蟲,開始了“讓蠟蟲吃掉塑料薄膜”的實(shí)驗(yàn)?!拔覀兙娘曫B(yǎng)蠟蟲,讓蠟蟲食用聚乙烯薄膜(英文名稱縮寫為PE),待蠟蟲發(fā)育成熟后再對(duì)它進(jìn)行科學(xué)解剖,將它腸道里的內(nèi)含物取出,接種于僅僅鋪有聚乙烯薄膜的無碳培養(yǎng)基中,然后用國(guó)際通行的方法反復(fù)測(cè)試,看它腸道的內(nèi)含物是否能侵蝕并穿透聚乙烯薄膜?!?/p>

        讓楊軍驚訝的事發(fā)生了,僅僅依靠聚乙烯薄膜為食的蠟蟲不僅活了下來,還發(fā)育成熟,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第28天時(shí),解剖后的蠟蟲腸道微生物侵蝕并穿透了聚乙烯薄膜!經(jīng)過反復(fù)測(cè)試,結(jié)果都一樣。

        “蠟蟲可以吃塑料,而且它的腸道微生物可以降解塑料!”興奮之余,楊軍決定好好深化這個(gè)突破性的研究??紤]到研究的深度跟數(shù)據(jù)都還不夠,加上自認(rèn)為技術(shù)研究功力還有待提升,所以,2007年,楊軍到牛津大學(xué)訪問深造。

        筆者認(rèn)為,對(duì)中國(guó)共產(chǎn)黨生態(tài)文明建設(shè)的實(shí)踐路徑研究,學(xué)者們從不同角度提出了許多具有參考價(jià)值的觀點(diǎn)。但其中仍然存在不足,如保障措施不夠系統(tǒng)全面,部分建議過于空泛,未結(jié)合實(shí)際提出具體的落地措施。因此,具體的措施需要在實(shí)踐中進(jìn)一步研究和完善。

        深入研究,蟲子吃掉了塑料

        回國(guó)后,楊軍聯(lián)合了斯坦福大學(xué)、華大基因的學(xué)者,展開深入系統(tǒng)的研究。由于實(shí)驗(yàn)蠟蟲腸道的內(nèi)含物會(huì)分泌出很多菌株,而在前期的研究中并沒有細(xì)化,所以,楊軍的首要方向就是提取蠟蟲腸道內(nèi)含物中的“純菌”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

        這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)而言之就是:用聚乙烯薄膜“養(yǎng)活”蠟蟲至成蟲,再對(duì)其進(jìn)行解剖,然后取出腸道內(nèi)含物,跟聚乙烯薄膜放在一起進(jìn)行富集培養(yǎng)。60天后,分離出8種純菌株,再通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)選擇出兩種降解能力最強(qiáng)的菌種:阿氏腸桿菌和芽孢桿菌。

        實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,楊軍用“激動(dòng)”二字形容:“這兩種菌株的確靠塑料薄膜活了下來。它們?cè)诤垡蚁┑谋∧ど戏€(wěn)定增長(zhǎng),并具有較強(qiáng)的活性,可以腐蝕掉聚乙烯薄膜的表面。”

        楊軍團(tuán)隊(duì)很快將實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)成文,投給了《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志。2014年10月,《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》不僅全文刊發(fā),還引發(fā)了一輪新聞報(bào)道熱浪,包括美國(guó)化學(xué)會(huì)《新聞周刊》在內(nèi)的諸多行業(yè)頂尖媒體對(duì)楊軍團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了持續(xù)報(bào)道,大家齊齊歡呼:“聚乙烯可以生物降解了!”

        受此鼓勵(lì),楊軍團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入研究。由于蠟蟲個(gè)頭小,分解塑料的量和種類都有限,做進(jìn)一步降解機(jī)理實(shí)驗(yàn)也不方便,楊軍團(tuán)隊(duì)便開始著手?jǐn)U大調(diào)研范圍。了解到有人用蚯蚓、千足蟲、蛞蝓、蝸牛等做過降解塑料的實(shí)驗(yàn),楊軍團(tuán)隊(duì)也逐一實(shí)驗(yàn),但效果都不理想。

        就在團(tuán)隊(duì)工作陷入瓶頸時(shí),楊軍看到了一則泡沫塑料板被黃粉蟲啃食的新聞報(bào)道。他靈光一閃,決定嘗試用個(gè)頭大很多的黃粉蟲進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn),而目標(biāo),則對(duì)準(zhǔn)了塑料中最難降解的聚苯乙烯——也就是俗稱的白色泡沫塑料。

        白色泡沫塑料是最難自然降解的一種,由于其高分子量和高穩(wěn)定性,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為,微生物無法降解聚苯乙烯類塑料。而楊軍選擇聚苯乙烯的目的,一是因?yàn)樾侣剤?bào)道中黃粉蟲降解的正是聚苯乙烯,二是因?yàn)槟孟戮郾揭蚁?,其他塑料制品的自然降解就自然而然地解決了。

        于是,2014年年末,楊軍團(tuán)隊(duì)買來沒有添加劑和催化劑的聚苯乙烯原料及相關(guān)樣品,接著又買了1500只3蟲齡~4蟲齡(即褪了3次~4次皮)谷物飼養(yǎng)的黃粉蟲,開始了“蟲吃塑料2.0版”的實(shí)驗(yàn)。

        揭開塑料自然降解的一角

        楊軍團(tuán)隊(duì)將1500只黃粉蟲分成三組,進(jìn)行為期30天的實(shí)驗(yàn)。一組僅僅喂食泡沫塑料,另兩組作為對(duì)照組,一組喂食黃粉蟲最喜歡的麥麩,一組不喂食物。結(jié)果發(fā)現(xiàn),喂食泡沫塑料和麥麩的兩組,存活率沒有顯著差異。

        接著,楊軍團(tuán)隊(duì)收集吃了麥麩和泡沫塑料的黃粉蟲蟲糞,用GPC(凝膠滲透色譜)證明聚苯乙烯的分子量降低了,熱量也降低了?!?0%的聚苯乙烯被黃粉蟲轉(zhuǎn)化為二氧化碳和自身肌體,可以說是‘長(zhǎng)肌肉’了。簡(jiǎn)單一句話,實(shí)驗(yàn)充分證明了黃粉蟲能夠降解聚苯乙烯!”楊軍興奮地說。

        為了更加科學(xué)地證實(shí)降解的科學(xué)性和真實(shí)性,楊軍團(tuán)隊(duì)又采用了生物化學(xué)機(jī)理研究當(dāng)中的“金標(biāo)準(zhǔn)”碳-13同位素標(biāo)記示蹤法。這種聚苯乙烯非常貴,比黃金都要貴幾十倍,但楊軍咬咬牙,用上了所有科研經(jīng)費(fèi),“做這個(gè)實(shí)驗(yàn)以后幾乎彈盡糧絕,我的科研經(jīng)費(fèi)本上只剩下了4000元,但這是個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),必須得做。”

        幸運(yùn)的是,這個(gè)貴過黃金的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn),同樣也證實(shí)了黃粉蟲可以消化最難降解的聚苯乙烯,還得出一個(gè)更驚喜的結(jié)論:“其他相對(duì)容易降解的塑料,理論上黃粉蟲同樣可以消化?!?/p>

        兩輪實(shí)驗(yàn)成功之后,楊軍團(tuán)隊(duì)將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行系統(tǒng)整理,將論文投給了國(guó)際頂級(jí)科技學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》和《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。稿件很快就被送審了,但最后都被拒絕了?!耙?yàn)椴牧蠈W(xué)的評(píng)閱人還是堅(jiān)持60年以來的固有觀念——塑料是不能生物降解的?!?/p>

        之后,楊軍團(tuán)隊(duì)從中整理出兩篇姊妹篇,轉(zhuǎn)投給了《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》。這兩篇文章很快被刊發(fā),并產(chǎn)生了轟動(dòng)效應(yīng)。

        甘苦不足道,唯有負(fù)重前行

        文章發(fā)表后第二天,《科學(xué)》雜志就在“故事精選”欄目報(bào)道了楊軍團(tuán)隊(duì)的工作,之后,包括CNN(美國(guó)有線電視新聞網(wǎng))、美國(guó)第二大時(shí)政雜志《新聞周刊》在內(nèi)的國(guó)外數(shù)百家媒體陸續(xù)采訪了楊軍團(tuán)隊(duì),評(píng)論楊軍團(tuán)隊(duì)的研究是一個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn),是過去10年環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域最大的突破之一。

        更讓楊軍高興的是,文章發(fā)表后,國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)于塑料的生物降解研究迎來了春天。之后,類似《自然》的行業(yè)頂級(jí)雜志發(fā)表了很多相關(guān)論文,2017年6月,《材料》的子刊甚至以“塑料已經(jīng)美味可餐”來歡呼這個(gè)春天的到來。而楊軍團(tuán)隊(duì)的研究成果,已經(jīng)進(jìn)入了多個(gè)國(guó)家的科學(xué)博物館,以及中小學(xué)的教科書和參考書。

        有意思的是,楊軍的論文發(fā)表后不久,美國(guó)就有二十幾家農(nóng)場(chǎng)用泡沫塑料去養(yǎng)黃粉蟲,還有更多做同樣研究的人通過各種方式聯(lián)系楊軍團(tuán)隊(duì),“有小學(xué)生、中學(xué)生,還有大學(xué)生、研究生,甚至還有好多教授,跟我直接聯(lián)系的都有50位以上?!?/p>

        不過,楊軍聽到的最多的話是“慚愧”,“有很多科學(xué)家跟我講,‘蟲子咬破塑料袋’是個(gè)司空見慣的現(xiàn)象,但是他們都熟視無睹了?!?/p>

        對(duì)此,楊軍卻另有感觸:“回溯有關(guān)蟲子吃塑料這方面的文獻(xiàn),我們可以找到1954年加州大學(xué)的一篇文獻(xiàn),也是蠟蟲來覓食塑料袋,53年后的2007年仍然還有這樣類似的報(bào)道。但是很遺憾,因?yàn)樗麄兌际抢ハx學(xué)家,都沒有從逆向思維的角度去利用害蟲的這個(gè)習(xí)性,就錯(cuò)過了非常好的發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)。我們的這個(gè)發(fā)現(xiàn),不過是by accident——偶然,類似于1928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素罷了?!?/p>

        關(guān)于蟲子降解塑料這個(gè)研究項(xiàng)目,楊軍認(rèn)定只是萬里長(zhǎng)征第一步,“這個(gè)項(xiàng)目目前還處于基礎(chǔ)研究的階段,還沒有完全應(yīng)用到實(shí)際生活中。”

        更讓楊軍揪心的是塑料污染的現(xiàn)狀?!澳壳拔覀兒退固垢4髮W(xué)的同行一起在做海上塑料污染的防治研究,很遺憾地說,我們已經(jīng)在食鹽中發(fā)現(xiàn)了塑料污染,這個(gè)問題很嚴(yán)重,我們希望很快有解決方案?!?/p>

        如今,楊軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)全力投入國(guó)家微生物組計(jì)劃,“這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)列入十三五規(guī)劃,我們希望在這樣的計(jì)劃支持下,圍繞昆蟲腸道微生物組做好基礎(chǔ)研究,努力找到塑料的阿喀琉斯之踵,同時(shí)發(fā)展顛覆性的技術(shù),并且要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用?!?/p>

        “阿喀琉斯之踵”是指致命的弱點(diǎn)、要害,尋找自然不易,但楊軍選擇負(fù)重前行:“科學(xué)研究中的甘苦不足為外人道,但這也是科學(xué)家的樂趣所在吧?!?/p>

        編輯 吳忞忞mwumin@qq.com

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