美国新闻周刊: 北航研究给塑料污染治理带来曙光
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现代工业社会所带来的塑料废物污染一直是全球环境所面临的巨大挑战。然而最近，北航杨军教授研究组和江雷院士、斯坦福大学吴唯民高级研究员以及深圳华大基因公司的赵姣博士等共同研究揭示了黄粉虫幼虫对聚苯乙烯具有降解作用，通过碳-13同位素示踪实验证明塑料可被黄粉虫降解矿化为二氧化碳以及转化为虫体生物质，并进一步分离出了聚苯乙烯塑料的降解菌YT2。这份系统的研究报告令人振奋，也许来自这小虫子的启示将成为造福整个地球的钥匙。
顺祝北航63华诞！
继2014年12月发表关于蜡虫肠道微生物对聚乙烯塑料降解作用的论文 之后，北京航空航天大学杨军教授研究组和江雷院士、美国斯坦福大学吴唯民高级研究员以及深圳华大基因公司的赵姣博士等再次在环境学科领域的权威期刊《Environment Science & Technology》上合作发表了两篇姊妹研究论文，证明了黄粉虫幼虫对聚苯乙烯塑料的啮食降解作用（文末可回复下载）。同时，通过13C同位素示踪实验，首次证明塑料可在塑料啮食昆虫肠道中完全降解。10月18日，美国新闻周刊对这一研究做了大篇幅专题报道。(http://www.newsweek.com/plastic-eating-mealworms-can-safely-digest-styrofoam-384340)
以聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食源，黄粉虫幼虫可存活1个月以上，最后发育成成虫，其所啮食的聚苯乙烯被完全降解矿化为CO2或同化为虫体脂肪。杨军等人通过在食物中加入抗生素，进一步证明黄粉虫幼虫肠道菌落对聚苯乙烯降解的决定性作用。此外，他们从幼虫肠道中分离出第一株可利用聚苯乙烯作为唯一碳源进行生长的微小杆菌YT2 (EXiguobacteriumsp. YT2)。他们的这一突破性发现为塑料污染的治理带来了一线曙光。
黄粉幼虫啃食聚苯乙烯泡沫塑料
现代社会，塑料已成为商业、工业、医药等各行各业重要的物质材料来源。如化妆品中的遮瑕膏大量使用纳米塑料颗粒，渔网等也尼龙材料为主。塑料为人类社会提供廉价高性能材料的同时，也为环境保护带来了难题。
塑料作为一类以石油为原料的高聚物，由于其极稳定的物理化学结构，学者普遍认为，塑料会在自然环境中残留数十甚至数百年而不被分解。另一方面，随着社会经济技术的高速发展，塑料的年产量呈现高速增长，从上世纪50年代到2013年，塑料年产量从年产150万吨增至3亿吨。
由于自然损失和遗弃，塑料正在自然环境中以不可控的速率积累，土壤、河流湖泊以及海洋等各种环境中均产生了严重的“白色污染”，在极端环境的北冰洋冰体中也检测出了大量微小塑料颗粒。塑料对环境不仅是自然美观的破坏，作为一类疏水性高聚物，塑料对环境中的疏水性毒素具有很强的富集作用，例如多卤联苯 (Polychlorinated biophenyls，PCBs) 的疏水性农药在自然水体环境中浓度并不高，但由于水体中塑料微颗粒的存在，导致大气和土壤中的PCBs吸附在塑料微颗粒表面，并通过鱼类的吞食进入水体食物链中。同时，塑料对许多濒危生物的寄栖地也会造成危害，如海鸟多误以是猎物而误食塑料导致死亡。
死去的海鸟尸体中存在大量塑料
生物降解技术，由于其高效和相较不易产生二次污染等诸多优点，一直被视为环境治理的首选方案。因此，学术界一直试图寻找可有效降解塑料的生物物种，但由于塑料超稳定的化学结构，这方面的研究进展缓慢。迄今为止，虽已分离辨认出了少数能对塑料降解的菌种，但大多降解能力低下，塑料的停留时间依旧过长，难有现实应用意义。少量具颚昆虫也被报道可啮食聚丙烯 (PP) 、聚乙烯 (PE) 和聚氯乙烯 (PVC) 等塑料，但这些塑料是否在昆虫肠道中被降解尚未证明。在这一背景下，杨军等人的这项新研究成果显得极为重要。
聚苯乙烯是塑料中的一大类，2013年占全球塑料总产量的7.1%，以泡沫塑料为大家所熟知，常用于一次性饭盒和绝热材料。杨军等人用以降解聚苯乙烯的生物物种为黄粉虫 (Tenebriomolitor，又称面包虫) 幼虫，其成虫为一种黑色甲壳虫，是一种仓库害虫，但现已被大量人工饲养用作动物饲料或用以提取化工原料。黄粉虫在整个生命期中，经历四个生命期：卵、幼虫、蛹和成虫，只有其幼虫啮食泡沫塑料，其幼虫体长一般在25mm左右。泡沫塑料能在该幼虫肠道中有效降解，且实验证明聚苯乙烯的停留时间少于24小时。
杨军等人以泡沫塑料为单一食源喂养黄粉虫幼虫。对比正常饲养 (喂食麸皮) 和停食的幼虫，结果发现，在16天实验期内，幼虫干重尽管并未如正常饲养的幼虫显著增加 (+33.6%)，仅小量增加了0.2%，这是由于相比麸皮，泡沫塑料的水含量和营养价值较低。但与此同时，喂食聚丙乙烯的幼虫也未像停食的幼虫干重明显降低 (-24.9%)，并且对比喂食塑料和麸皮两组的幼虫存活率，并无明显差异。这一实验结果暗指了黄粉虫幼虫消化降解聚苯乙烯的可能性。
不同喂食策略下黄粉幼虫的存活率
他们采用13C示踪技术和TG-FTIR广谱等手段进一步验证了黄粉幼虫对聚苯乙烯的降解作用。结果表明，该幼虫对泡沫塑料中碳的回收率可达95%，同时以聚苯乙烯泡沫喂食幼虫从4天到第15天，摄食泡沫中的碳被消化成为虫粪从73.6%降至49.2%，但被完全矿化为CO2则从20.7%升至47.7%。
被摄食聚苯乙烯中的碳用途
杨军等人提出黄粉幼虫啮食降解聚苯乙烯机理如下：
i. 泡沫塑料首先被黄粉幼虫嚼噬成细小碎片并摄入肠道中 (Step 1)，嚼噬作用增加了聚苯乙烯泡沫与微生物和胞外酶的接触面积 (Step 2 and 3)；
ii. 所摄食的碎片在肠道微生物所分泌的胞外酶作用，进一步解聚成小分子产物 (Step 4 - 6)；
iii. 这些小分子产物在多种酶菌和黄粉幼虫自身酶的作用，进一步降解并同化形成幼虫自身组织；
iv. 残留的泡沫碎片与部分降解中间产物，混和部分肠道微生物，以虫粪的形态排泄出体内，在虫粪中泡沫塑料可能还会进一步继续降解 (Step 7)。
聚苯乙烯在黄粉幼虫肠道中的降解机理
通过对上面机理的分析，发现在聚苯乙烯泡沫降解过程中，黄粉幼虫的肠道微生物应该起到关键作用。为验证这一假设，杨军等人以抗生素作用抑制黄粉的肠道微生物活性，通过分析虫粪中残留塑料的分子质量，证明了肠道菌群活性的破化会损坏黄粉幼虫降解聚苯乙烯的能力。
抗生素处理后虫粪中泡沫塑料的MW和Mn
此外，他们还从黄粉幼虫体内分离出了可降解聚苯乙烯塑料的PE降解菌YT2，进一步验证了上述黄粉幼虫矿化降解泡沫塑料的机理。
在聚苯乙烯塑料表面生长的聚乙烯降解菌YT2
杨军博士等人的工作成果为治理塑料污染带来了一丝希望，其证明了自然环境中存在有效的塑料降解过程。可这希望在笔者个人看来却是仅仅一丝，我们确实有理由相信既然可以发现能有效降解聚苯乙烯的黄粉幼虫，那么随着科技的进一步发展，能有效降解其它塑料的生物物种、塑料降解的关键酶也会被逐渐发现，最终我们可以探索出有效的生物处理系统用于治理各种塑料污染。
科学技术真的会如我们美好愿望般发展吗？我不知道。塑料已经广泛存在于我们的自然环境中，如我们所愿，已经制备出了能高效降解塑料的工程菌，它们是否会影响自然环境的生物物种结构？如我们所愿，环境中塑料可被完全降解成CO2，可CO2产生的温室效应又该怎么办？杨军博士等人的成果是振奋人心的，但依旧需要那句老话，保护环境从我做起。
本文由文博士撰稿，潇燕校正，各媒体如需转载，请联系授权。图片源于网络
喝茶聊天心有灵犀，钻研切磋触类旁通
回复“塑料降解”可获取杨军博士等人论文原文，《Biodegradation and Mineralizationof Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and PhysicalCharacterization and Isotopic Tests》和《Biodegradation and Mineralization of Polystyrene byPlastic-Eating Mealworms: Part 2. Role of Gut Microorganisms》
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