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“塑料在黃粉蟲腸道快速生物降解，揭示了丟棄在環(huán)境中塑料廢物的新命運(yùn)。”北京航空航天大學(xué)楊軍教授說。

塑料在環(huán)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(wěn)定性，普遍認(rèn)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(xué)楊軍教授研究組、深圳華大基因公司趙姣博士等在環(huán)境學(xué)科領(lǐng)域的權(quán)威期刊《EnvironmentalScience&Technology》上合作發(fā)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(gè)月以上，最后發(fā)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(fā)現(xiàn)為解決全球性的塑料污染問題提供了思路。

世界難題

石油化工生產(chǎn)的塑料廢物污染是世界環(huán)境難題。大部分塑料一次性消費(fèi)使用后即被丟棄。迄今為止學(xué)術(shù)界認(rèn)為，塑料產(chǎn)品由于物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、在自然環(huán)境中可能數(shù)十至數(shù)百年不會(huì)被分解。

楊軍教授介紹，2013年全球消費(fèi)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(quán)威的調(diào)查已經(jīng)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(gè)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(huán)境中積累,中國(guó)每年約有200萬噸廢棄塑料丟在環(huán)境里。以農(nóng)田用農(nóng)膜為例，我國(guó)農(nóng)膜年產(chǎn)量達(dá)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(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)農(nóng)膜年殘留量高達(dá)35萬噸,殘膜率達(dá)42%，大量殘膜遺留在農(nóng)田0-30厘米的耕作層。也就是說,有近一半的農(nóng)膜殘留在土壤中,食品安全方面是一個(gè)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(shí)現(xiàn)無機(jī)礦化,可能需要200-400年時(shí)間,從而造成在環(huán)境中的積累。”楊軍教授告訴羊城晚報(bào)記者。

蟲子幫忙

2005年起，楊軍團(tuán)隊(duì)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(xué)家此前使用幾種土壤無脊椎動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，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(biāo)記的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），結(jié)果顯示無法降解。

楊軍認(rèn)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(chǎn)生活性基團(tuán)的關(guān)鍵酶及其基因。

楊軍團(tuán)隊(duì)的2014年研究發(fā)現(xiàn)，蠟蟲（印度谷螟幼蟲）能夠咀嚼和進(jìn)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，黃粉蟲幼蟲是一種吃掉塑料更為厲害的動(dòng)物，其尺寸比蠟蟲更大（通常長(zhǎng)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(gè)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(xué)上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲科，粉甲蟲屬（擬步行蟲屬）。原產(chǎn)北美洲，50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)中國(guó)飼養(yǎng)，黃粉蟲被譽(yù)為“蛋白質(zhì)飼料庫(kù)”。其干品含脂肪30%，含蛋白質(zhì)高達(dá)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(zhì)40%左右、蛹含57%、成蟲含60%。

在中國(guó)國(guó)內(nèi)，黃粉蟲實(shí)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(yǎng)的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、熱帶魚和金魚，不僅生長(zhǎng)快、成活率高，而且抗病力強(qiáng)，繁殖力也大大提高。養(yǎng)殖黃粉蟲十分容易，養(yǎng)殖戶可用新鮮燕麥、小麥糠、蘋果養(yǎng)殖。

蟲子吃掉塑料

楊軍教授的團(tuán)隊(duì)從中石化燕山分公司購(gòu)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(biāo)記的聚苯乙烯塑料樣品則從美國(guó)購(gòu)買。黃粉蟲從北京大興、河北秦皇島等昆蟲養(yǎng)殖場(chǎng)購(gòu)買，用谷物飼養(yǎng)，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(gè)有泡沫塑料塊的聚丙烯塑料容器里。實(shí)驗(yàn)人員定期測(cè)量被黃粉蟲吃掉的泡沫塑料塊重量，對(duì)照組是常規(guī)麥麩飼養(yǎng)的黃粉蟲，實(shí)驗(yàn)中500個(gè)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(dú)飼養(yǎng)（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(shí)驗(yàn)中，以泡沫塑料為單一食源喂養(yǎng)黃粉蟲幼蟲。對(duì)比正常飼養(yǎng)(喂食麩皮)和停食的幼蟲，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在16天實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，幼蟲干重盡管并未如正常飼養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)價(jià)值較低），但也未像停食的幼蟲干重明顯降低(-24.9%)，并且對(duì)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(yàn)期，蟲子攝入泡沫塑料中47.7%轉(zhuǎn)化為CO2。而殘留（約49.2%）被轉(zhuǎn)化為類似兔糞便的生物降解顆粒被排泄出體外。試驗(yàn)用α-13C或β-13C標(biāo)記的聚苯乙烯塑料證實(shí)其被礦化為碳13標(biāo)記二氧化碳和脂類。幼蟲腸道內(nèi)聚苯乙烯泡沫停留時(shí)間不超過24小時(shí)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(gè)月后，健康情況一樣，最后發(fā)育成甲殼成蟲。黃粉蟲在泡沫上吃出了一個(gè)一個(gè)洞。通過蟲子的腸道后，攝入的泡沫塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成發(fā)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(shí)了幼蟲腸道中聚苯乙烯長(zhǎng)鏈分子斷裂形成蟲子代謝產(chǎn)物隨著糞便排出。

實(shí)驗(yàn)還進(jìn)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(jìn)行生長(zhǎng)的聚苯乙烯降解細(xì)菌——微小桿菌YT2（Exiguobacteriumsp.YT2）。該菌株已保存在中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心和國(guó)家基因庫(kù)，是國(guó)際上報(bào)道的第一株保存在菌種中心的聚苯乙烯降解細(xì)菌。

能吃所有塑料

研究團(tuán)隊(duì)給出了黃粉幼蟲嚙食降解聚苯乙烯機(jī)理：第一步，泡沫塑料首先被黃粉幼蟲嚼噬成細(xì)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(jìn)一步解聚成小分子產(chǎn)物；第三步，這些小分子產(chǎn)物在多種酶菌和黃粉幼蟲自身酶的作用下，進(jìn)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(chǎn)物，混合部分腸道微生物，以蟲糞的形態(tài)排泄出體內(nèi)，在蟲糞中泡沫塑料可能還會(huì)進(jìn)一步繼續(xù)降解。